JP7833129B2 - Fuel cell system burner - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムのバーナに関する。 This invention relates to a burner for a fuel cell system.
従来、ガスタービン発電機やガスエンジン発電機に比べて環境有害物質の放出が少なく発電効率に優れる発電装置として、様々なタイプの燃料電池が開発されてきた。特に、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は50%以上の高い発電効率が得られるため、産業用から家庭用まで広範な出力範囲の発電に利用される。 Traditionally, various types of fuel cells have been developed as power generation devices that emit fewer environmentally harmful substances and have superior power generation efficiency compared to gas turbine generators and gas engine generators. In particular, solid oxide fuel cells (SOFCs) can achieve high power generation efficiencies of over 50%, making them suitable for a wide range of power generation applications, from industrial to residential.
燃料電池システムは、都市ガス等のメタン含有ガスを原燃料とする改質形と、水素を原燃料とする非改質形があるが、日本国内では水素供給インフラが整備途上であるため、前者が主流となっている。改質形燃料電池システムでは、水蒸気改質触媒を用いた吸熱型の外部改質器を使って改質ガスを生成するのが主流であり、発電のコアとなるセルスタックと共に、改質器や燃焼器等の補助機器をパッケージにして、熱的に自立可能なホットモジュールを構成している。水蒸気改質反応の吸熱には、特許文献1,2に開示されるように、主に低カロリーのオフガスおよび/または高カロリーの原燃料の燃焼熱を利用する。 Fuel cell systems include reforming types that use methane-containing gases such as city gas as fuel, and non-reforming types that use hydrogen as fuel. However, in Japan, the former is dominant due to the ongoing development of hydrogen supply infrastructure. In reforming fuel cell systems, the mainstream method involves generating reformed gas using an endothermic external reformer with a steam reforming catalyst. The core of the power generation system, the cell stack, along with auxiliary equipment such as the reformer and combustor, are packaged together to form a thermally self-sufficient hot module. As disclosed in Patent Documents 1 and 2, the endothermic reaction of the steam reforming reaction primarily utilizes the combustion heat of low-calorie off-gas and/or high-calorie fuel.
特許文献1の燃料電池システムは、ホットモジュール内に二重筒構造の改質器(反応容器)を配置し、改質器の内筒の一端にバーナを接続する構成である。このシステムでは、バーナの燃焼動作により、内筒の内側から壁面を通じた熱伝導により熱エネルギーを与えつつ、外筒の外側からセルスタックの放射伝熱により熱エネルギー与える。 The fuel cell system described in Patent Document 1 has a configuration in which a double-cylinder reformer (reaction vessel) is placed inside a hot module, and a burner is connected to one end of the inner cylinder of the reformer. In this system, the combustion operation of the burner provides thermal energy from the inside of the inner cylinder through heat conduction via the wall surface, while simultaneously providing thermal energy from the outside of the outer cylinder through radiant heat transfer from the cell stack.
このシステムでは、改質器を構成する反応容器の内壁は、火炎や燃焼ガスが直接接触する構造である。そのため、燃焼時と非燃焼時の温度差により反応容器が膨張・収縮し、反応容器の構成部材や接合部分に熱応力が発生する。 In this system, the inner walls of the reaction vessels that make up the reformer are in direct contact with the flames and combustion gases. Therefore, the temperature difference between combustion and non-combustion causes the reaction vessels to expand and contract, generating thermal stress in the components and joints of the reaction vessels.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、熱応力による改質器の損傷や破損を回避することのできる燃料電池システムのバーナを提供することを目的とする。 This invention has been made in view of the above-mentioned problems, and aims to provide a burner for a fuel cell system that can avoid damage or breakage of the reformer due to thermal stress.
本発明に係る燃料電池システムのバーナは、外筒と内筒の間に触媒充填層を有する二重筒構造の反応容器に適用されるバーナであって、炭化水素含有ガスおよび/またはアノードオフガスが流通する第1ガス筒と、前記第1ガス筒を包囲し、酸化剤含有ガスおよび/またはカソードオフガスが流通する第2ガス筒と、基端部が前記第1ガス筒と接続されると共に、先端部がガス流れの下流側に向かって拡開する円錐台状の保炎器と、基端部が前記第2ガス筒と連結され、燃焼室および燃焼ガスの流通路として機能する管体であって、表面が燃焼熱の放射部となる熱放射筒と、を備え、前記熱放射筒は、前記内筒の表面と前記熱放射筒の表面を離間させた状態で前記内筒に挿通されると共に、先端部が前記内筒の端部から突出する長さを有し、前記熱放射筒を流通する燃焼ガスは、前記反応容器と接触することなく前記熱放射筒の先端部から排出される構成とする。本構成によれば、熱応力による改質器の損傷や破損を回避することができる。 The burner for a fuel cell system according to the present invention is a burner applied to a double-cylinder reaction vessel having a catalyst packed bed between an outer cylinder and an inner cylinder, and comprises: a first gas cylinder through which hydrocarbon-containing gas and/or anode-off gas flows; a second gas cylinder surrounding the first gas cylinder and through which oxidant-containing gas and/or cathode-off gas flows; a frustoconical flame holder whose base end is connected to the first gas cylinder and whose tip widens toward the downstream side of the gas flow; and a heat radiating cylinder whose base end is connected to the second gas cylinder and which functions as a combustion chamber and a flow passage for combustion gas, with its surface being a heat radiating part for combustion, wherein the heat radiating cylinder is inserted into the inner cylinder with the surface of the inner cylinder and the surface of the heat radiating cylinder spaced apart , and its tip has a length that protrudes from the end of the inner cylinder, and the combustion gas flowing through the heat radiating cylinder is discharged from the tip of the heat radiating cylinder without contacting the reaction vessel . With this configuration, damage or breakage of the reformer due to thermal stress can be avoided.
上記構成としてより具体的には、前記第2ガス筒と前記熱放射筒とは、1本の管体により形成される構成としても良い。本構成によれば、第2ガス筒と熱放射筒の両部材の芯合わせや接合等の作業が不要となり、バーナを低コストで製作できる。 More specifically, the above configuration may involve forming the second gas cylinder and the heat radiation cylinder from a single tubular body. This configuration eliminates the need for alignment and joining of the two components, allowing for the low-cost production of the burner.
上記構成としてより具体的には、前記保炎器は、拡開方向に間隔をおいた多列の貫通孔を有し、前記保炎器の外径と前記第2ガス筒の内径は、略同径である構成としても良い。本構成によれば、第2ガス筒内径の径方向断面の全体に亘って、安定した火炎が形成される。 More specifically, the flame holder may have multiple rows of through holes spaced apart in the expansion direction, and the outer diameter of the flame holder and the inner diameter of the second gas cylinder may be approximately the same. With this configuration, a stable flame is formed across the entire radial cross-section of the inner diameter of the second gas cylinder.
上記構成としてより具体的には、第1電極ロッドおよび第2電極ロッドからなる電極対を備え、前記電極対の先端部を前記保炎器の内部に配置し、ガス点火時に、前記第1電極ロッドをスパークロッドとして機能させると共に、前記第2電極ロッドをアースロッドとして機能させ、火炎検知時に、前記第1電極ロッドをフレームロッドとして機能させると共に、前記第2電極ロッドをアースロッドとして機能させる構成としても良い。本構成によれば、電極対を用いてガス点火機能と火炎検知機能を実現し、確実かつ安全な燃焼動作を行うことができる。 More specifically, the above configuration may include an electrode pair consisting of a first electrode rod and a second electrode rod, with the tips of the electrode pair positioned inside the flame holder. During gas ignition, the first electrode rod functions as a spark rod and the second electrode rod functions as a ground rod. During flame detection, the first electrode rod functions as a flame rod and the second electrode rod functions as a ground rod. This configuration allows for reliable and safe combustion operation by using the electrode pair to achieve both gas ignition and flame detection functions.
本発明に係る燃料電池システムのバーナによれば、熱応力による改質器の損傷や破損を回避することができる。 According to the fuel cell system burner of the present invention, damage or breakage of the reformer due to thermal stress can be avoided.
以下、本発明の実施形態について各図面を参照しながら説明する。 The embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<燃料電池システムの構成概要>
まず本実施形態に係る燃料電池システム100の構成概要について説明する。図1は、燃料電池システム100の構成を示す説明図である。図1に示すように燃料電池システム100は、複数のセルスタック(燃料電池セルスタック)1、改質器2、バーナ3、蒸発器4、空気予熱器5、アノードオフガス冷却器6、アノードオフガス凝縮器7、CO酸化器(一酸化炭素酸化器)8、凝縮水回収タンク9、第1原燃料ブロワ10、第1空気ブロワ11、水ポンプ12、第2原燃料ブロワ13、第2空気ブロワ14、パワーコンディショナ15、およびシステムコントローラ16を備える。
<Overview of Fuel Cell System Configuration>
First, an overview of the configuration of the fuel cell system 100 according to this embodiment will be described. Figure 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel cell system 100. As shown in Figure 1, the fuel cell system 100 comprises a plurality of cell stacks (fuel cell stacks) 1, a reformer 2, a burner 3, an evaporator 4, an air preheater 5, an anode off-gas cooler 6, an anode off-gas condenser 7, a CO oxidizer (carbon monoxide oxidizer) 8, a condensate recovery tank 9, a first raw fuel blower 10, a first air blower 11, a water pump 12, a second raw fuel blower 13, a second air blower 14, a power conditioner 15, and a system controller 16.
なお、本実施形態の例では、図1において図示を省略したものを含め、計8個のセルスタック1が備えられている。また以下の説明では、燃料電池システム100を単に「システム」と称することがある。 In this embodiment, a total of eight cell stacks 1 are provided, including those not shown in Figure 1. Furthermore, in the following description, the fuel cell system 100 may be simply referred to as "the system."
また燃料電池システム100は、原燃料ラインLa、混合ガスラインLb、アノード燃料ラインLc、アノードオフガスラインLd、カソード空気ラインLe、カソードオフガスラインLf、燃焼ガスラインLg、バーナ冷却用空気ラインLh、改質水ラインLi、起動用空気ラインLj、および凝縮水回収ラインLwの各ライン(管路)を備える。 Furthermore, the fuel cell system 100 includes the following lines (pipes): a raw fuel line La, a mixed gas line Lb, an anode fuel line Lc, an anode off-gas line Ld, a cathode air line Le, a cathode off-gas line Lf, a combustion gas line Lg, a burner cooling air line Lh, a reformed water line Li, a starting air line Lj, and a condensate recovery line Lw.
アノード燃料ラインLcは、アノード燃料の導入母管となる第1分配マニホールドMaを含み、カソード空気ラインLeは、カソード空気の導入母管となる第2分配マニホールドMbを含む。これらの分配マニホールドMa,Mbは、入口と各セルスタック1に対応した複数の出口とを有しており、入口に流入した流体を各出口それぞれから流出させる。 The anode fuel line Lc includes a first distribution manifold Ma, which serves as the main inlet for anode fuel, and the cathode air line Le includes a second distribution manifold Mb, which serves as the main inlet for cathode air. These distribution manifolds Ma and Mb have an inlet and multiple outlets corresponding to each cell stack 1, and the fluid flowing into the inlet is discharged from each respective outlet.
アノードオフガスラインLdは、アノードオフガスの導出母管となる第1収集マニホールドMcを含み、カソードオフガスラインLfは、カソードオフガスの導出母管となる第2収集マニホールドMdを含む。これらの収集マニホールドMc,Mdは、各セルスタック1に対応した複数の入口と出口を有しており、各入口それぞれに流入した流体を出口から流出させる。 The anode off-gas line Ld includes a first collection manifold Mc, which serves as the main outlet for the anode off-gas, and the cathode off-gas line Lf includes a second collection manifold Md, which serves as the main outlet for the cathode off-gas. These collection manifolds Mc and Md have multiple inlets and outlets corresponding to each cell stack 1, and the fluid flowing into each inlet is discharged from the outlet.
燃焼ガスラインLgは、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbを含む。 The combustion gas line Lg includes the heat radiation cylinder Za and the combustion gas pipe Zb.
原燃料ラインLaは、燃料取入口E1とバーナ3を接続する管路であり、この管路中には第2原燃料ブロワ13が配置されている。第2原燃料ブロワ13は、燃料取入口E1から取り入れられた原燃料ガス(例えば都市ガス13A等のメタン含有ガス)Gfを昇圧して、原燃料ラインLaの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムのスタートアップ運転時に駆動される。 The raw fuel line La is a pipeline connecting the fuel inlet E1 and the burner 3, and a second raw fuel blower 13 is located within this pipeline. The second raw fuel blower 13 is a device that pressurizes the raw fuel gas (e.g., methane-containing gas such as city gas 13A) Gf taken in from the fuel inlet E1 and sends it downstream of the raw fuel line La. It is typically driven during the system's startup operation.
混合ガスラインLbは、燃料取入口E2と改質器2を接続する管路であり、この管路中には上流側から順に、第1原燃料ブロワ10、蒸発器4、および第1ベローズ形伸縮管継手B1が配置されている。第1原燃料ブロワ10は、燃料取入口E2から取り入れられた原燃料ガスGaを昇圧して、混合ガスラインLbの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムの発電運転時に駆動される。 The mixed gas line Lb is a pipeline connecting the fuel intake E2 and the reformer 2. Within this pipeline, from upstream to downstream, are the first raw fuel blower 10, the evaporator 4, and the first bellows-type expansion joint B1. The first raw fuel blower 10 is a device that pressurizes the raw fuel gas Ga taken in from the fuel intake E2 and sends it to the downstream side of the mixed gas line Lb. It is typically driven during the power generation operation of the system.
アノード燃料ラインLcは、改質器2と各セルスタック1のアノードとを接続する管路である。より具体的に説明すると、アノード燃料ラインLcは上流側から順に、改質器2と第1分配マニホールドMaの入口とを接続する管路、第1分配マニホールドMa、および、第1分配マニホールドMaの各出口と各セルスタック1のアノードとを接続する8本の管路(第1分配マニホールドMaの枝管)を有する。 The anode fuel line Lc is a pipeline connecting the reformer 2 to the anodes of each cell stack 1. More specifically, the anode fuel line Lc consists of, in order from upstream, a pipeline connecting the reformer 2 to the inlet of the first distribution manifold Ma, the first distribution manifold Ma itself, and eight pipelines (branch pipes of the first distribution manifold Ma) connecting each outlet of the first distribution manifold Ma to the anodes of each cell stack 1.
アノードオフガスラインLdは、各セルスタック1のアノードとバーナ3とを接続する管路である。より具体的に説明すると、アノードオフガスラインLdは上流側から順に、各セルスタック1のアノードと第1収集マニホールドMcの各入口とを接続する8本の管路(第1収集マニホールドMcの枝管)、第1収集マニホールドMc、および、第1収集マニホールドMcの出口とバーナ3の第1ガス筒31(後述)とを接続する管路(以下、「管路Ld1」と称する。)を有する。管路Ld1の途中には、上流側から順に、第2ベローズ形伸縮管継手B2、アノードオフガス冷却器6、アノードオフガス凝縮器7、および気水分離部Saが配置されている。 The anode-off gas line Ld is a pipeline connecting the anode of each cell stack 1 to the burner 3. More specifically, the anode-off gas line Ld has, in order from upstream, eight pipelines (branch pipes of the first collection manifold Mc) connecting the anode of each cell stack 1 to the inlets of the first collection manifold Mc, the first collection manifold Mc itself, and a pipeline (hereinafter referred to as "pipeline Ld1") connecting the outlet of the first collection manifold Mc to the first gas cylinder 31 (described later) of the burner 3. Along pipeline Ld1, in order from upstream, are the second bellows-type expansion joint B2, the anode-off gas cooler 6, the anode-off gas condenser 7, and the gas-water separation unit Sa.
カソード空気ラインLeは、空気取入口E3と各セルスタック1のカソードとを接続する管路である。より具体的に説明すると、カソード空気ラインLeは上流側から順に、空気取入口E3と第2分配マニホールドMbの入口とを接続する管路(以下、「管路Le1」と称する。)、第2分配マニホールドMb、および、第2分配マニホールドMbの各出口と各セルスタック1のカソードとを接続する8本の管路(第2分配マニホールドMbの枝管)を有する。 The cathode air line Le is a conduit connecting the air intake E3 to the cathodes of each cell stack 1. More specifically, the cathode air line Le consists of, in order from upstream, a conduit connecting the air intake E3 to the inlet of the second distribution manifold Mb (hereinafter referred to as "conduit Le1"), the second distribution manifold Mb, and eight conduits (branch pipes of the second distribution manifold Mb) connecting each outlet of the second distribution manifold Mb to the cathodes of each cell stack 1.
管路Le1の途中には、上流側から順に、第1空気ブロワ11、アノードオフガス冷却器6、空気予熱器5、および第3ベローズ形伸縮管継手B3が配置されている。第1空気ブロワ11は、空気取入口E3から取り入れられた空気Aaを昇圧して、カソード空気ラインLeの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムの発電運転時に駆動される。更に管路Le1においては、空気取入口E3とアノードオフガス冷却器6の中間点、および、空気予熱器5と第3ベローズ形伸縮管継手B3の中間点を結ぶように、アノードオフガス冷却器6と空気予熱器5を迂回するバイパス経路Le2が設けられている。 Along pipeline Le1, the following components are arranged in order from upstream: a first air blower 11, an anode off-gas cooler 6, an air preheater 5, and a third bellows-type expansion joint B3. The first air blower 11 is a device that pressurizes the air Aa taken in from the air intake E3 and sends it to the downstream side of the cathode air line Le; it is typically driven during the system's power generation operation. Furthermore, pipeline Le1 is provided with a bypass route Le2 that bypasses the anode off-gas cooler 6 and the air preheater 5, connecting the midpoint between the air intake E3 and the anode off-gas cooler 6, and the midpoint between the air preheater 5 and the third bellows-type expansion joint B3.
カソードオフガスラインLfは、各セルスタック1のカソードとバーナ3とを接続する管路である。より具体的に説明すると、カソードオフガスラインLfは上流側から順に、各セルスタック1のカソードと第2収集マニホールドMdの各入口とを接続する8本の管路(第2収集マニホールドMdの枝管)、第2収集マニホールドMd、および、第2収集マニホールドMdの出口とバーナ3の第2ガス筒32(後述)とを接続する管路(以下、「管路Lf1」と称する。)を有する。 The cathode-off gas line Lf is a conduit connecting the cathode of each cell stack 1 to the burner 3. More specifically, the cathode-off gas line Lf consists of, in order from the upstream side, eight conduits (branch pipes of the second collection manifold Md) connecting the cathode of each cell stack 1 to the respective inlets of the second collection manifold Md, the second collection manifold Md itself, and a conduit (hereinafter referred to as "conduit Lf1") connecting the outlet of the second collection manifold Md to the second gas cylinder 32 (described later) of the burner 3.
燃焼ガスラインLgは、バーナ3とガス排出口D1とを接続する管路である。より具体的に説明すると、燃焼ガスラインLgは上流側から順に、熱放射筒Za、熱放射筒Zaと燃焼ガス管Zbとを接続する管路、燃焼ガス管Zb、および、燃焼ガス管Zbとガス排出口D1とを接続する管路(以下、「管路Lg1」と称する。)を有する。管路Lg1の途中には、上流側から順に、第4ベローズ形伸縮管継手B4、空気予熱器5、CO酸化器8、および、蒸発器4が配置されている。 The combustion gas line Lg is a pipeline connecting the burner 3 and the gas outlet D1. More specifically, the combustion gas line Lg consists of, in order from upstream, a heat radiation cylinder Za, a pipeline connecting the heat radiation cylinder Za and the combustion gas pipe Zb, the combustion gas pipe Zb, and a pipeline connecting the combustion gas pipe Zb and the gas outlet D1 (hereinafter referred to as "pipeline Lg1"). Along pipeline Lg1, in order from upstream, are a fourth bellows-type expansion joint B4, an air preheater 5, a CO oxidizer 8, and an evaporator 4.
バーナ冷却用空気ラインLhは、管路Le1と起動用空気ラインLjとを接続する管路であり、この管路中には不図示の流量調整手段(オリフィス等)が設けられている。より具体的に説明すると、バーナ冷却用空気ラインLhは、第1空気ブロワ11とアノードオフガス冷却器6を接続する管路Le1の中間点で分岐し、第2空気ブロワ14の下流側で起動用空気ラインLjに合流する管路であり、第1空気ブロワ11の駆動時に微小流量の空気Abがバーナ3に向けて流通するように構成されている。なお、詳細は後述するが、バーナ3の燃焼温度によってはバーナ冷却用空気ラインLhを省略可能である。 The burner cooling air line Lh is a conduit connecting conduit Le1 and the starting air line Lj, and a flow rate adjustment means (such as an orifice) is provided in this conduit (not shown). More specifically, the burner cooling air line Lh is a conduit that branches off at an intermediate point in conduit Le1, which connects the first air blower 11 and the anode off-gas cooler 6, and merges with the starting air line Lj downstream of the second air blower 14. It is configured so that a small flow rate of air Ab flows toward the burner 3 when the first air blower 11 is driven. Note that, as will be described in detail later, the burner cooling air line Lh may be omitted depending on the combustion temperature of the burner 3.
改質水ラインLiは、凝縮水回収タンク9と蒸発器4とを接続する管路であり、この管路中には水ポンプ12が配置されている。水ポンプ12は、凝縮水回収タンク9に貯留した凝縮水Wbを改質水Waとして改質水ラインLiの下流側へ送る機器である。 The reformed water line Li is a pipeline connecting the condensate recovery tank 9 and the evaporator 4, and a water pump 12 is located within this pipeline. The water pump 12 is a device that sends the condensate Wb stored in the condensate recovery tank 9 as reformed water Wa to the downstream side of the reformed water line Li.
起動用空気ラインLjは、空気取入口E4と管路Lf1とを接続する管路であり、この管路中には第2空気ブロワ14が配置されている。第2空気ブロワ14は、空気取入口E4から取り入れられた空気Acを昇圧して、起動用空気ラインLjの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムのスタートアップ運転時に駆動される。 The startup air line Lj is a conduit connecting the air intake E4 and the conduit Lf1, and a second air blower 14 is located within this conduit. The second air blower 14 is a device that pressurizes the air Ac taken in from the air intake E4 and sends it downstream of the startup air line Lj. It is typically driven during the system's startup operation.
凝縮水回収ラインLwは、管路Ld1の途中に配置された気水分離部Saと凝縮水回収タンク9とを接続する管路である。気水分離部Saは、アノードオフガス凝縮器7で発生した凝縮水WbをアノードオフガスGdから分離する部材であり、凝縮水回収ラインLwには分離された凝縮水Wbが流下する。凝縮水回収ラインLwの先端は、貯留された凝縮水Wbの水温の影響を受けて凝縮量が増減しないように、凝縮水回収タンク9の水相部に没入させることなく気相部に開放される。なお凝縮水回収ラインLwの先端を水相部に没入させないのは、バーナ3に送るアノードオフガスGdの流量を変化させないためである。特に、凝縮水Wbを分離後のアノードオフガスGdをセルスタックの一次側へリサイクルしたり、後段のセルスタックで発電利用したりする場合には、本構成は有効である。気水分離部Saには、例えば直管部を水平方向に配置すると共に分岐管部を下向きに配置したT字管が用いられている。また、鉛直方向に立設した小容量の円筒容器を気水分離部Saに用いることもできる。 The condensate recovery line Lw is a pipeline connecting the gas-liquid separation unit Sa, located in the middle of the pipeline Ld1, to the condensate recovery tank 9. The gas-liquid separation unit Sa is a component that separates the condensate Wb generated in the anode-off gas condenser 7 from the anode-off gas Gd, and the separated condensate Wb flows down the condensate recovery line Lw. The tip of the condensate recovery line Lw is open to the gas phase without being submerged in the aqueous phase of the condensate recovery tank 9, so that the amount of condensation does not increase or decrease due to the influence of the water temperature of the stored condensate Wb. The reason for not submerging the tip of the condensate recovery line Lw in the aqueous phase is to avoid changing the flow rate of the anode-off gas Gd sent to the burner 3. This configuration is particularly effective when the anode-off gas Gd after separating the condensate Wb is recycled to the primary side of the cell stack or used for power generation in a subsequent cell stack. The gas-liquid separation section Sa uses, for example, a T-shaped pipe with a straight section positioned horizontally and a branched section positioned downwards. Alternatively, a small-capacity cylindrical container erected vertically can also be used as the gas-liquid separation section Sa.
セルスタック1は、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)で構成された発電体である。固体酸化物形燃料電池は、発電セルを構成する固体電解質、アノードおよびカソードが全てセラミックスである高温作動型の燃料電池であり、所定個数の発電セルを金属インターコネクタ材(セパレータ材ともいう)を介して集積した発電単位をセルスタックと呼んでいる。セルスタック1の電池出力は、パワーコンディショナ15で調整された後に給電される。 Cell stack 1 is a power generation unit composed of solid oxide fuel cells (SOFCs). A solid oxide fuel cell is a high-temperature operating fuel cell in which the solid electrolyte, anode, and cathode constituting the power generation cell are all ceramic. A power generation unit formed by integrating a predetermined number of power generation cells via a metal interconnector material (also called a separator material) is called a cell stack. The battery output of cell stack 1 is supplied after being adjusted by the power conditioner 15.
改質器2は、水蒸気を用いて原燃料ガスGaを改質し、改質ガスGcを生成して後段側へ送出する。改質器2は水蒸気改質用の触媒を有しており、原燃料ガスGaに含まれるメタンと水蒸気を反応させ、一酸化炭素と水素を含む改質ガスGcを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であるが、バーナ3からの熱供給により、改質器2は安定的に改質ガスGcを生成することが可能である。 The reformer 2 uses steam to reform the raw fuel gas Ga, generating reformed gas Gc, which is then sent downstream. The reformer 2 has a catalyst for steam reforming, reacting the methane in the raw fuel gas Ga with steam to produce reformed gas Gc containing carbon monoxide and hydrogen. Although steam reforming is an endothermic reaction, the heat supplied from the burner 3 allows the reformer 2 to stably generate reformed gas Gc.
バーナ3は、流入する気体を燃焼させて熱を発生させるとともに、燃焼によって生じた燃焼ガスGgを焼排ガスラインLgへ排出する。蒸発器4は、改質水Waと燃焼ガスGg(熱源流体)を間接熱交換させる機器であり、燃焼ガスGgとの熱交換により、改質水Waを蒸発させると同時に原燃料ガスGaを加熱する役割を果たす。 Burner 3 generates heat by burning the incoming gas and discharges the combustion gas Gg produced by the combustion into the exhaust gas line Lg. Evaporator 4 is a device that indirectly exchanges heat between the reformed water Wa and the combustion gas Gg (heat source fluid). Through heat exchange with the combustion gas Gg, it evaporates the reformed water Wa while simultaneously heating the raw fuel gas Ga.
空気予熱器5とアノードオフガス冷却器6は、何れも低温流体と高温流体を間接熱交換させる熱交換器である。空気予熱器5は、燃焼ガスGgとの熱交換によりカソード空気ラインLe内の空気Aaを予熱する役割を果たし、アノードオフガス冷却器6は、カソード空気ラインLe内の空気Aaとの熱交換によりアノードオフガスGdを冷却する役割を果たす。 The air preheater 5 and the anode off-gas cooler 6 are both heat exchangers that indirectly exchange heat between a low-temperature fluid and a high-temperature fluid. The air preheater 5 preheats the air Aa in the cathode air line Le through heat exchange with the combustion gas Gg, while the anode off-gas cooler 6 cools the anode off-gas Gd through heat exchange with the air Aa in the cathode air line Le.
アノードオフガス凝縮器7は、アノードオフガスGdを冷却して、アノードオフガスGdに含まれる水蒸気を凝縮させる役割を果たす。なお、本実施形態のアノードオフガス凝縮器7は空冷熱交換器としているが、その代わりに水冷熱交換器を採用し、これにより熱回収が行われるコジェネ型のシステムとしても良い。 The anode off-gas condenser 7 plays the role of cooling the anode off-gas Gd and condensing the water vapor contained in the anode off-gas Gd. While the anode off-gas condenser 7 in this embodiment is an air-cooled heat exchanger, a water-cooled heat exchanger may be used instead, resulting in a cogeneration-type system where heat is recovered.
CO酸化器8は、燃焼ガスGgに含まれる有害な一酸化炭素を触媒と接触させ、無害な二酸化炭素に変換する機器である。CO酸化器8は、バーナ3での酸化反応が完全である場合は作動せず、バーナ3での酸化反応が不完全である場合にのみ動作する。 The CO oxidizer 8 is a device that converts harmful carbon monoxide contained in the combustion gas Gg into harmless carbon dioxide by contacting it with a catalyst. The CO oxidizer 8 does not operate if the oxidation reaction in burner 3 is complete, and only operates if the oxidation reaction in burner 3 is incomplete.
凝縮水回収タンク9は、気水分離部Saから排出される凝縮水Wbを回収し、これを改質水Waとして再利用可能とする役割を果たす。凝縮水回収タンク9には、貯留される改質水Waの水位を所定範囲に調整するため、水位検出器Sbおよび排水弁Scが設けられている。水位検知器Sbで上限水位を検知すると排水弁Scが開放される一方、水位検知器Sbで下限水位を検知すると排水弁Scが閉鎖される。このようにして凝縮水回収タンク9には、所要量の改質水Waが確保されるようになっている。なお改質水Waの排水動作時にアノードオフガスGdが外部に漏洩することを防止するため、排水弁Scによる排水位置は凝縮水回収タンク9の底部付近に設定される。 The condensate recovery tank 9 plays the role of recovering the condensate Wb discharged from the gas-water separation unit Sa and making it reusable as reformed water Wa. The condensate recovery tank 9 is equipped with a water level detector Sb and a drain valve Sc to adjust the water level of the stored reformed water Wa within a predetermined range. When the water level detector Sb detects the upper limit, the drain valve Sc is opened, while when the water level detector Sb detects the lower limit, the drain valve Sc is closed. In this way, the required amount of reformed water Wa is secured in the condensate recovery tank 9. Furthermore, to prevent the leakage of anode off gas Gd to the outside during the draining operation of the reformed water Wa, the drain position by the drain valve Sc is set near the bottom of the condensate recovery tank 9.
パワーコンディショナ15は、セルスタック1で発電した電力を事業活動や社会生活の場で利用できる状態に変換するための機器である。パワーコンディショナ15は、セルスタック1から出力された直流電圧を昇圧するDC/DCコンバータ(昇圧回路)と、DC/DCコンバータで昇圧された直流電圧を系統電源と同期の取れた交流電圧に変換する系統連系インバータ(電圧変換回路)と、セルスタック1の出力電流(掃引電流)を制御する出力電流制御部(出力制御回路)と、補機類に駆動電力を供給するための駆動電力供給部(補助回路)を有している。 The power conditioner 15 is a device that converts the electricity generated by the cell stack 1 into a form that can be used in business activities and daily life. The power conditioner 15 includes a DC/DC converter (boost circuit) that boosts the DC voltage output from the cell stack 1, a grid-connected inverter (voltage conversion circuit) that converts the DC voltage boosted by the DC/DC converter into an AC voltage synchronized with the grid power supply, an output current control unit (output control circuit) that controls the output current (sweep current) of the cell stack 1, and a drive power supply unit (auxiliary circuit) for supplying drive power to auxiliary equipment.
上記の系統連系インバータは、建築物内に設置された商用電源系統の配電盤と電気的に接続される。系統連系インバータと配電盤とは、系統連系用のスイッチを介して並列・解列を切換可能である。配電盤には、商用電源および複数の分電盤が電気的に接続される。分電盤には、建築物内で使用する照明器具、動力装置、コンセント等の負荷機器が電気的に接続される。 The grid-connected inverter described above is electrically connected to the commercial power distribution panel installed within the building. The grid-connected inverter and the distribution panel can be switched between parallel and disconnected connections via a grid-connection switch. The distribution panel is electrically connected to the commercial power supply and multiple distribution boards. These distribution boards are electrically connected to load equipment used within the building, such as lighting fixtures, power units, and outlets.
上記の駆動電力供給部は、各ブロワ10,11,13,14、水ポンプ12およびバーナ3のスパークロッド(後述する第1電極ロッド)等と接続され、これらの補機類に駆動電力を与える。駆動電力供給部は、補機類がDC駆動の場合、例えば系統連系インバータの出力をAC/DC変換した電力、商用電源からの入力をAC/DC変換した電力、またはセルスタック1の出力をDC/DC変換した電力を供給するように回路構成される。一方、駆動電力供給部は、補機類がAC駆動の場合、例えば系統連系インバータの出力電力、または商用電源からの入力電力を供給するように回路構成される。なお上述の補機類は、システムのスタートアップ運転およびシャットダウン運転時は、商用電源を利用して駆動され、システムの発電運転中は、発電電力を利用して駆動される。 The above-described power supply unit is connected to each of the blowers 10, 11, 13, and 14, the water pump 12, and the spark rod (first electrode rod, described later) of the burner 3, providing power to these auxiliary components. When the auxiliary components are DC-driven, the power supply unit is configured to supply power obtained by AC/DC conversion of the grid-connected inverter output, AC/DC conversion of the commercial power input, or DC/DC conversion of the cell stack 1 output. Conversely, when the auxiliary components are AC-driven, the power supply unit is configured to supply power obtained by AC/DC conversion of the grid-connected inverter output or the commercial power input. The above-described auxiliary components are driven using commercial power during system startup and shutdown operations, and using generated power during system power generation operations.
システムコントローラ16は、予め作成・記憶された制御プログラムに従って、ブロワ等の補機類およびパワーコンディショナ15の動作(すなわち、システム動作)を制御する機器である。 The system controller 16 is a device that controls the operation of auxiliary equipment such as blowers and the power conditioner 15 (i.e., system operation) according to a pre-created and stored control program.
また図1に破線枠で示すように、各セルスタック1、改質器2、バーナ3、各マニホールドMa~Md、熱放射筒Za、および燃焼ガス管Zbは、後述するホットモジュールHMにおける第1ボックスX1(図3を参照)の内側である第1領域R1に配置されている。一方、蒸発器4、空気予熱器5、アノードオフガス冷却器6、およびCO酸化器8は、第1ボックスX1の外側であって後述する第2ボックスX2(図3を参照)の内側である第2領域R2に配置されている。なお、アノードオフガス凝縮器7、凝縮水回収タンク9、各ブロワ10,11,13,14、水ポンプ12、パワーコンディショナ15、およびシステムコントローラ16は、ホットモジュールHMの外部(常温の領域)に配置される。 Furthermore, as shown by the dashed lines in Figure 1, each cell stack 1, reformer 2, burner 3, each manifold Ma to Md, heat radiation tube Za, and combustion gas pipe Zb are located in the first region R1, which is inside the first box X1 (see Figure 3) in the hot module HM described later. On the other hand, the evaporator 4, air preheater 5, anode off gas cooler 6, and CO oxidizer 8 are located in the second region R2, which is outside the first box X1 and inside the second box X2 (see Figure 3) described later. The anode off gas condenser 7, condensate recovery tank 9, each blower 10, 11, 13, 14, water pump 12, power conditioner 15, and system controller 16 are located outside the hot module HM (in the ambient temperature region).
<燃料電池システムの動作概要>
次に、燃料電池システム100の動作概要について、図1を参照しながら説明する。燃料取入口E2から混合ガスラインLb内に供給された原燃料ガスGaは、第1原燃料ブロワ10の作用により後段側へ送られる。原燃料ガスGaの供給に並行して、凝縮水回収タンク9から改質水ラインLi内に供給された改質水Waは、水ポンプ12によって水量が調節され、混合ガスラインLbへ流入する。
<Fuel Cell System Operation Overview>
Next, the operation overview of the fuel cell system 100 will be explained with reference to Figure 1. The raw fuel gas Ga supplied from the fuel intake E2 into the mixed gas line Lb is sent to the downstream side by the action of the first raw fuel blower 10. In parallel with the supply of raw fuel gas Ga, the reformed water Wa supplied from the condensate recovery tank 9 into the reformed water line Li has its water volume regulated by the water pump 12 and flows into the mixed gas line Lb.
改質水Waは、混合ガスラインLb内の原燃料ガスGaとともに蒸発器4に流入し、蒸発器4において熱交換により加熱されて水蒸気(過熱蒸気)となる。当該水蒸気は加熱された原燃料ガスGaと混合し、混合ガスGbとして改質器2へ流入する。 The reformed water Wa flows into the evaporator 4 along with the raw fuel gas Ga in the mixed gas line Lb. In the evaporator 4, it is heated by heat exchange to become steam (superheated steam). This steam mixes with the heated raw fuel gas Ga and flows into the reformer 2 as the mixed gas Gb.
改質器2は、混合ガスGb中の水蒸気を用いて原燃料ガスGaを改質し、改質ガスGcを生成して後段側へ送出する。改質器2から送出された改質ガスGcは、アノード燃料ラインLcを通って各セルスタック1のアノードへ分配される。 The reformer 2 uses water vapor in the mixed gas Gb to reform the raw fuel gas Ga, generating reformed gas Gc, which is then sent downstream. The reformed gas Gc sent from the reformer 2 is distributed to the anodes of each cell stack 1 via the anode fuel line Lc.
一方、上述した原燃料ガスGaの供給に並行して、空気取入口E3からカソード空気ラインLe内に空気Aaが供給される。カソード空気ラインLe内の空気Aaは、第1空気ブロワ11の作用により後段側へ送られる。この空気Aaは、アノードオフガス冷却器6での熱交換によって加熱され、更に空気予熱器5での熱交換によって加熱された後、各セルスタック1のカソードへ分配される。なお空気Aaの温度調節等のため、空気Aaの一部である空気Aa1を、バイパス経路Le2を介して各セルスタック1のカソードへ流入させることも可能である。 Meanwhile, in parallel with the supply of the raw fuel gas Ga mentioned above, air Aa is supplied from the air intake E3 into the cathode air line Le. The air Aa in the cathode air line Le is sent to the downstream side by the action of the first air blower 11. This air Aa is heated by heat exchange in the anode off-gas cooler 6, and further heated by heat exchange in the air preheater 5 before being distributed to the cathodes of each cell stack 1. For temperature control of the air Aa, it is also possible to introduce a portion of the air Aa, air Aa1, into the cathodes of each cell stack 1 via the bypass path Le2.
更には、カソードへの空気Aaの供給に同期して、冷却用空気ラインLh内に空気Abが供給される。冷却用空気ラインLh内の空気Abは、第1空気ブロワ11の作用によりバーナ3へ送られる。この空気Abは、バーナ3の燃焼温度を低下させる冷却剤として作用し、保炎器33(後述)の過熱および焼損を防止する。なお空気Abを供給しない状態で、保炎器33の過熱や焼損が起こらない程度に火炎温度が保たれている場合には、バーナ冷却用空気ラインLhを省略してもよい。 Furthermore, air Ab is supplied to the cooling air line Lh in sync with the supply of air Aa to the cathode. The air Ab in the cooling air line Lh is sent to the burner 3 by the action of the first air blower 11. This air Ab acts as a coolant to lower the combustion temperature of the burner 3, preventing overheating and burnout of the flame holder 33 (described later). Note that if the flame temperature is maintained at a level where overheating and burnout of the flame holder 33 does not occur without supplying air Ab, the burner cooling air line Lh may be omitted.
各セルスタック1は、アノードに流入した改質ガスGcとカソードに流入した空気Aaを用いて発電するとともに、アノードからアノードオフガスラインLdへアノードオフガスGdを排出し、カソードからカソードオフガスラインLfへカソードオフガスGeを排出する。アノードオフガスGdには、アノードにおいて未反応であった燃料成分が含まれており、カソードオフガスGeには、カソードにおいて未反応であった酸素が含まれている。 Each cell stack 1 generates electricity using reformed gas Gc flowing into the anode and air Aa flowing into the cathode. It also discharges anode off-gas Gd from the anode to the anode off-gas line Ld and cathode off-gas Ge from the cathode to the cathode off-gas line Lf. Anode off-gas Gd contains unreacted fuel components at the anode, and cathode off-gas Ge contains unreacted oxygen at the cathode.
各セルスタック1からアノードオフガスラインLdへ排出されたアノードオフガスGdは、第1収集マニホールドMcに収集された後、アノードオフガス冷却器6での熱交換によって冷却され、アノードオフガス凝縮器7へ流入する。アノードオフガス凝縮器7では、アノードオフガスGdは露点温度以下まで冷却され、アノードオフガスGdに含まれる水蒸気が凝縮する。 The anode off-gas Gd discharged from each cell stack 1 to the anode off-gas line Ld is collected in the first collection manifold Mc, cooled by heat exchange in the anode off-gas cooler 6, and then flows into the anode off-gas condenser 7. In the anode off-gas condenser 7, the anode off-gas Gd is cooled to below the dew point temperature, and the water vapor contained in the anode off-gas Gd condenses.
アノードオフガス凝縮器7を通過したアノードオフガスGdは、気水分離部Saに送られて気水分離され、凝縮水Wbが凝縮水回収タンク9に回収される。凝縮水回収タンク9に回収された凝縮水Wbは、先述のとおり改質水Waとして再利用される。なお、アノードオフガスGdにおける凝縮しなかった部分(気水分離後のアノードオフガスGd)は、バーナ3へ送られる。 The anode-off gas Gd that has passed through the anode-off gas condenser 7 is sent to the gas-liquid separation unit Sa for gas-liquid separation, and the condensed water Wb is recovered in the condensed water recovery tank 9. The condensed water Wb recovered in the condensed water recovery tank 9 is reused as reformed water Wa, as described above. The portion of the anode-off gas Gd that did not condense (anode-off gas Gd after gas-liquid separation) is sent to the burner 3.
各セルスタック1からカソードオフガスラインLfへ排出されたカソードオフガスGeは、第2収集マニホールドMdに収集された後、管路Lf1でバーナ冷却用空気ラインLhを介して流入した空気Abと混合し、バーナ3へ送られる。またバーナ3には、システムの運転状態に応じて、燃料取入口E1から供給された原燃料ガスGfが、原燃料ラインLaを介して送られると共に、空気取入口E4から供給された空気Acが、起動用空気ラインLjを介して送られる。 The cathode-off gas Ge discharged from each cell stack 1 to the cathode-off gas line Lf is collected in the second collection manifold Md, then mixed with air Ab flowing in via the burner cooling air line Lh in pipeline Lf1, and sent to the burner 3. Depending on the system's operating state, raw fuel gas Gf supplied from fuel intake E1 is sent to the burner 3 via the raw fuel line La, and air Ac supplied from air intake E4 is sent via the starting air line Lj.
バーナ3は、原燃料ガスGfおよび/またはアノードオフガスGdである第1バーナ用ガスGxと、空気Acおよび/またはカソードオフガスGeである第2バーナ用ガスGyが流入し、これらを燃焼させて熱を発生させる。すなわち第1バーナ用ガスGxは、原燃料ガスGfとアノードオフガスGdの混合気体、或いは、原燃料ガスGfとアノードオフガスGdの何れか一方の状態であり、どの状態となるかはシステムの動作状態等によって変化し得る。また第2バーナ用ガスGyは、空気AcとカソードオフガスGeの混合気体、或いは、空気AcとカソードオフガスGeの何れか一方の状態であり、どの状態となるかはシステムの動作状態等によって変化し得る。すなわち、システムのスタートアップ運転、発電運転(全負荷運転または部分負荷運転)、シャットダウン運転等に応じて、バーナ3への供給ガスは適宜状態変化する。 Burner 3 receives a first burner gas Gx, which is the raw fuel gas Gf and/or anode-off gas Gd, and a second burner gas Gy, which is air Ac and/or cathode-off gas Ge. These are burned to generate heat. Specifically, the first burner gas Gx is either a mixture of raw fuel gas Gf and anode-off gas Gd, or just Gf and Gd, and its state can change depending on the system's operating state. Similarly, the second burner gas Gy is either a mixture of air Ac and cathode-off gas Ge, or just air Ac and cathode-off gas Ge, and its state can change depending on the system's operating state. In other words, the gas supplied to burner 3 changes its state appropriately depending on the system's startup operation, power generation operation (full-load or partial-load), shutdown operation, etc.
なお、原燃料ガスGfは炭化水素含有ガスの一種である。一方、空気Acは酸化剤含有ガスの一種である。バーナ3の燃焼動作中、バーナ冷却用空気ラインLhからは空気Abが連続的に供給され、燃焼温度の調整が行われる。 The raw fuel gas Gf is a type of hydrocarbon-containing gas. On the other hand, air Ac is a type of oxidizer-containing gas. During the combustion operation of burner 3, air Ab is continuously supplied from the burner cooling air line Lh to regulate the combustion temperature.
バーナ3での燃焼により生じる燃焼ガスGgは、燃焼ガスラインLgへ送られ、熱放射筒Za、燃焼ガス管Zb、蒸発器5、CO酸化器8、および蒸発器4を順に通過して、ガス排出口D1からホットモジュールHMの外部へ排出される。なお詳しくは後述するが、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbは、燃焼ガスGgを用いて改質器2を効果的に加熱できるよう配置されている。また、燃焼ガスラインLg内の燃焼ガスGgは、蒸発器5および蒸発器4を通る際に熱交換に利用され、一酸化炭素が含まれる場合には、CO酸化器8を通る際に当該一酸化炭素が二酸化炭素に変換される。 The combustion gas Gg produced by combustion in burner 3 is sent to the combustion gas line Lg, and passes sequentially through the heat radiating cylinder Za, combustion gas pipe Zb, evaporator 5, CO oxidizer 8, and evaporator 4 before being discharged to the outside of the hot module HM through the gas outlet D1. As will be described in more detail later, the heat radiating cylinder Za and combustion gas pipe Zb are arranged to effectively heat the reformer 2 using the combustion gas Gg. Furthermore, the combustion gas Gg in the combustion gas line Lg is used for heat exchange as it passes through evaporators 5 and 4, and if carbon monoxide is present, it is converted to carbon dioxide as it passes through CO oxidizer 8.
<ホットモジュール>
次に、ホットモジュールHMの構成等について、より詳細に説明する。図2は、ホットモジュールHMの斜視図である。図3は、ホットモジュールHMの内部構造が理解容易となるように、第1ボックスX1、第2ボックスX2、および板状断熱材53の一部を不図示としたホットモジュールHMの斜視図である。なお以下の説明における前後、左右、および上下の各方向(互いに直交する方向)は、図2等に示すように便宜的に定めたものに過ぎない。本実施形態の例では、上下方向が鉛直方向に一致する。
<Hot Module>
Next, the configuration of the hot module HM will be explained in more detail. Figure 2 is a perspective view of the hot module HM. Figure 3 is a perspective view of the hot module HM with the first box X1, the second box X2, and a portion of the plate-shaped insulation material 53 omitted from the drawing to facilitate understanding of the internal structure of the hot module HM. Note that the front/back, left/right, and up/down directions (directions that are orthogonal to each other) in the following description are merely defined for convenience, as shown in Figure 2, etc. In this embodiment, the up/down direction coincides with the vertical direction.
図2および図3に示すようにホットモジュールHMは、第1台座X1a、第2台座X2a、第1台座X1a上に形成される第1ボックスX1、第2台座X2a上に形成される第2ボックスX2、第1台座X1aを支持する複数本(本実施形態の例では4本)の第1支柱51、および、第2台座X2aを支持する複数本(本実施形態の例では4本)の第2支柱52を備える。 As shown in Figures 2 and 3, the hot module HM comprises a first base X1a, a second base X2a, a first box X1 formed on the first base X1a, a second box X2 formed on the second base X2a, multiple (four in this embodiment) first support columns 51 supporting the first base X1a, and multiple (four in this embodiment) second support columns 52 supporting the second base X2a.
第1ボックスX1は第2ボックスX2の内部に収容されており、この状態で複数本の第1支柱51は、第2台座X2aから所定高さに第1台座X1aを支持する。第1ボックスX1は、内部の領域が高温動作領域となる第1領域R1(図1を参照)に設定されており、システムの発電動作時に内部で化学反応を伴う第1機器グループGP1が収容される。この第1機器グループGP1には、セルスタック1、改質器2、およびバーナ3が含まれる。 The first box X1 is housed inside the second box X2. In this configuration, multiple first support columns 51 support the first base X1a from the second base X2a at a predetermined height. The first box X1 is set as a first region R1 (see Figure 1), where the internal area is a high-temperature operating region, and houses the first equipment group GP1, which undergoes chemical reactions during the system's power generation operation. This first equipment group GP1 includes a cell stack 1, a reformer 2, and a burner 3.
第2ボックスX2の内部であって第1ボックスX1の外部(第1台座X1aの下側)の領域は、低温動作領域となる第2領域R2(図1を参照)に設定されており、システムの発電動作時に内部で化学反応を伴わない第2機器グループGP2が収容される。第2機器グループGP2には、蒸発器4および熱交換器(空気予熱器5とアノードオフガス冷却器6)が含まれる。 The area inside the second box X2, but outside the first box X1 (below the first base X1a), is set as the second region R2 (see Figure 1), which is a low-temperature operating region. This region houses the second equipment group GP2, which does not undergo chemical reactions during the system's power generation operation. The second equipment group GP2 includes an evaporator 4 and a heat exchanger (air preheater 5 and anode off-gas cooler 6).
また第2領域R2には、システムの発電動作時に所定の条件を満足した場合にのみ内部で化学反応を伴う第3機器グループGP3も収容される。第3機器グループGP3には、バーナ3での酸化反応が完全である場合は動作せず、バーナ3での酸化反応が不完全である場合にのみ動作するCO酸化器8が含まれる。CO酸化器8は触媒反応に伴う発熱が僅かであるので、CO酸化器8を第2領域R2(低温動作領域)に配置しても殆ど問題は無く、これにより、第1ボックスX1の容量を抑制することができる。 Furthermore, the second region R2 also houses a third equipment group GP3, which undergoes a chemical reaction internally only when predetermined conditions are met during the system's power generation operation. The third equipment group GP3 includes a CO oxidizer 8, which does not operate when the oxidation reaction at burner 3 is complete, and only operates when the oxidation reaction at burner 3 is incomplete. Since the CO oxidizer 8 generates only minimal heat due to the catalytic reaction, placing it in the second region R2 (low-temperature operating region) poses virtually no problem, thereby reducing the capacity of the first box X1.
第1ボックスX1の前後左右の各側部および頂部(上側)には、板状断熱材53が装着されている。板状断熱材53は、第1ボックスX1の前後左右および上側の各外面をほぼ全て覆っている。これにより強力な断熱効果を得ることができ、第1ボックスX1内を高温状態に保つことが容易となっている。 Plate-shaped insulation material 53 is attached to each side (front, back, left, and right) and the top (upper) of the first box X1. The plate-shaped insulation material 53 covers almost the entire outer surface of the first box X1 (front, back, left, right, and top). This provides a strong insulation effect, making it easy to maintain a high temperature inside the first box X1.
第2領域R2の空間(第2機器グループGP2の配置空間)には、不図示の粒状断熱材が充填される。高温動作領域である第1ボックスX1から第1台座X1aを通じて第2領域R2への熱伝導が起こるが、当該粒状断熱材を充填することにより十分な断熱効果が得られる。そのため、第2機器グループGP2およびその接続配管を、高価な高温耐性の材料を使用せずに構成することができる。 The space in the second region R2 (the space where the second equipment group GP2 is located) is filled with a granular insulation material (not shown). Heat conduction occurs from the first box X1, which is the high-temperature operating region, to the second region R2 through the first base X1a. However, sufficient insulation is achieved by filling the space with this granular insulation material. Therefore, the second equipment group GP2 and its connecting piping can be constructed without using expensive high-temperature resistant materials.
また、第1台座X1aには管挿入孔(貫通孔)が設けられており、第1領域R1と第2領域R2の境界を跨いで延びる各ライン(管路)は、この貫通孔を通るように配置される。これにより、第1機器グループGP1と第2機器グループGP2との間での流体の受け渡しは、第1台座X1aを上下方向に貫通する管路を通じて行われる。このように本実施形態では、各機器グループGP1,GP2間での流体の受け渡し用の配管は、第1台座X1aに穿設した管挿入孔に管路を取り付けるだけの構造なので、特別なシール等を必要としない。 Furthermore, the first base X1a is provided with a pipe insertion hole (through hole), and each line (pipe) extending across the boundary between the first region R1 and the second region R2 is arranged to pass through this through hole. As a result, fluid transfer between the first equipment group GP1 and the second equipment group GP2 is performed through pipes that penetrate the first base X1a vertically. Thus, in this embodiment, the piping for fluid transfer between the equipment groups GP1 and GP2 is simply constructed by attaching the pipes to the pipe insertion holes drilled in the first base X1a, and therefore does not require any special seals or the like.
更に、第2機器グループGP2を通る流体の管路には、ベローズ形伸縮管継手を設けるようにしても良い。第1台座X1aを貫通する管路と熱交換器を接続するパイプや、熱交換器どうしを接続するパイプは、システムの冷態時と運転時の温度変化により伸縮する。この伸縮により発生する熱応力は、パイプ本体および接合部の割れや破断の原因となるため、場合によっては可燃性ガスのリーク等、深刻な不具合を引き起こすことになる。第2機器グループGP2の流体接続に使用する配管機材がベローズ形伸縮管継手を含むようにすることで、熱応力の発生が極力抑えられ、このような不具合を回避することが可能となる。 Furthermore, bellows-type expansion joints may be provided in the fluid pipelines passing through the second equipment group GP2. The pipes connecting the pipelines penetrating the first base X1a to the heat exchangers, and the pipes connecting the heat exchangers to each other, expand and contract due to temperature changes between the system's cold and operating states. The thermal stress generated by this expansion and contraction can cause cracking and rupture of the pipe body and joints, potentially leading to serious malfunctions such as flammable gas leaks. By including bellows-type expansion joints in the piping equipment used for fluid connections in the second equipment group GP2, the generation of thermal stress can be minimized, thus avoiding such malfunctions.
本実施形態では図1に示すように、少なくとも、第2機器グループGP2を通る流体の管路のうち第1領域R1と第2領域R2の境界を跨いで延びる各ラインにおいて、第2領域R2の当該境界近傍に上下に伸縮可能なベローズ形伸縮管継手が設置されている。より具体的に説明すると、混合ガスラインLbの当該境界近傍には第1ベローズ形伸縮管継手B1が設置され、アノードオフガスラインLdの当該境界近傍には第2ベローズ形伸縮管継手B2が設置され、カソード空気ラインLeの当該境界近傍には第3ベローズ形伸縮管継手B3が設置され、燃焼ガスラインLgの当該境界近傍には第4ベローズ形伸縮管継手B4が設置されている。また、第2領域R2内の熱交換器どうしを接続する各パイプに、ベローズ形伸縮管継手を設置しても良い。 In this embodiment, as shown in Figure 1, at least in each fluid pipeline passing through the second equipment group GP2 that extends across the boundary between the first region R1 and the second region R2, a bellows-type expansion joint that can expand and contract vertically is installed near the boundary of the second region R2. More specifically, a first bellows-type expansion joint B1 is installed near the boundary of the mixed gas line Lb, a second bellows-type expansion joint B2 is installed near the boundary of the anode-off gas line Ld, a third bellows-type expansion joint B3 is installed near the boundary of the cathode air line Le, and a fourth bellows-type expansion joint B4 is installed near the boundary of the combustion gas line Lg. Furthermore, bellows-type expansion joints may also be installed in each pipe connecting heat exchangers within the second region R2.
ホットモジュールHMは、例えば次のような工程で組み立てられる。まず第2台座X2aの上に第2機器グループGP2を配置し、所要の配管機材を用いて機器間の配管を施工する。次に、第2台座X2aの上に複数の第1支柱51を取付け、第1支柱51の先端部に第1台座X1aを載置して固定する。次に、第1台座X1aに穿設した管挿入孔に管路を取り付け、この管路と第2機器グループGP2との間で配管を施工する。次に、第2台座X2aの上に第2機器グループGP2を包囲するケーシングを取り付けて半開放の第2ボックスX2を形成し、第2ボックスX2内に粒状断熱材を充填する。 The Hot Module HM is assembled, for example, through the following process: First, the second equipment group GP2 is placed on the second base X2a, and piping between the equipment is installed using the required piping equipment. Next, multiple first support columns 51 are attached to the second base X2a, and the first base X1a is placed and fixed on the tips of the first support columns 51. Next, conduits are installed in the pipe insertion holes drilled in the first base X1a, and piping is installed between these conduits and the second equipment group GP2. Finally, a casing surrounding the second equipment group GP2 is attached to the second base X2a to form a semi-open second box X2, and granular insulation material is filled into the second box X2.
続いて、第1台座X1aの上に第1機器グループGP1を配置し、第1台座X1aに取り付けられた管路と第1機器グループGP1との間で配管を施工すると共に、所要の配管機材を用いて機器間の配管を施工する。次に、第1台座X1aの上に第1機器グループGP1を包囲するケーシングを取り付けて密閉型の第1ボックスX1を形成し、第1ボックスX1の側部および頂部に板状断熱材53を装着する。半開放の第2ボックスX2に対し、第1ボックスX1に装着した板状断熱材53を包囲するケーシングを取り付けて密閉型の第2ボックスX2を形成する。以上のような工程を経由することで、容易にホットモジュールHMを組み立てることができる。 Next, the first equipment group GP1 is placed on the first base X1a, and piping is installed between the conduit attached to the first base X1a and the first equipment group GP1, and piping between equipment is installed using the required piping equipment. Then, a casing surrounding the first equipment group GP1 is attached to the first base X1a to form a sealed first box X1, and plate-shaped insulation material 53 is attached to the sides and top of the first box X1. A casing surrounding the plate-shaped insulation material 53 attached to the first box X1 is attached to the semi-open second box X2 to form a sealed second box X2. By following these steps, the hot module HM can be easily assembled.
図4~図6は、それぞれ異なる視点によるホットモジュールHMの斜視図である。また図7および図8は、それぞれ異なる視点によるホットモジュールHMの側面図である。なおこれらの図においては、ホットモジュールHMの内部構造が理解容易となるように、第1ボックスX1、第2ボックスX2、および板状断熱材53を不図示としている。また、図5~図8に示す白抜き矢印は、各流体の流れ方向を模式的に表している。 Figures 4 to 6 are perspective views of the hot module HM from different viewpoints. Figures 7 and 8 are side views of the hot module HM from different viewpoints. In these figures, the first box X1, the second box X2, and the plate-shaped insulation material 53 are not shown to facilitate understanding of the internal structure of the hot module HM. The white arrows shown in Figures 5 to 8 schematically represent the flow direction of each fluid.
これらの図に示すように、第1台座X1aの上側における上方視略中央位置には、上下(鉛直方向)に立設された筒状の改質器2が配置され、改質器2の上側にはバーナ3が配置されている。なお詳しくは後述するが、改質器2、バーナ3、および熱放射筒Zaは、改質ガス発生装置として一体的に構成されている。 As shown in these figures, a cylindrical reformer 2 is positioned vertically (upright) at approximately the center of the upper side of the first base X1a, and a burner 3 is positioned above the reformer 2. As will be described in more detail later, the reformer 2, burner 3, and heat radiation cylinder Za are integrally configured as a reformed gas generator.
改質器2の左右それぞれには、複数個(本実施形態の例では4個)のセルスタック1を上下に集積したセルスタック集合体61が配置されている。改質器2の前側における左右のセルスタック集合体61に挟まれた領域には、図4に示すように、第1分配マニホールドMaおよび第2分配マニホールドMbのそれぞれが、上下に延びるように配置されている。第1分配マニホールドMaおよび第2分配マニホールドMbは隣接配置されるとともに、セルスタック集合体61の近傍に配置されている。 On each side of the reformer 2, a cell stack assembly 61 is arranged, consisting of multiple (four in this embodiment) cell stacks 1 stacked vertically. In the area between the left and right cell stack assemblies 61 at the front of the reformer 2, as shown in Figure 4, the first distribution manifold Ma and the second distribution manifold Mb are arranged extending vertically. The first distribution manifold Ma and the second distribution manifold Mb are adjacent to each other and located near the cell stack assemblies 61.
第1分配マニホールドMaと第2分配マニホールドMbを隣接配置することで、これら2つの分配マニホールドの表面間において放射伝熱や対流伝熱により熱交換が行われる。また、各分配マニホールドMa,Mbをセルスタック集合体61の近傍に配置することで、機器の表面間において放射伝熱や対流伝熱により熱交換が行われる。これにより、セルスタック1に供給するアノード燃料(改質ガスGc)とカソード空気(空気Aa)の温度が均一化されると共に、当該温度をセルスタック1の動作温度近くまで高められるので、発電セルの全体で効率のよい発電反応を行わせることができる。 By arranging the first distribution manifold Ma and the second distribution manifold Mb adjacent to each other, heat exchange occurs between the surfaces of these two distribution manifolds through radiative and convective heat transfer. Furthermore, by arranging each distribution manifold Ma and Mb near the cell stack assembly 61, heat exchange also occurs between the surfaces of the equipment through radiative and convective heat transfer. This equalizes the temperatures of the anode fuel (reformed gas Gc) and cathode air (air Aa) supplied to the cell stack 1, and raises these temperatures to near the operating temperature of the cell stack 1, enabling efficient power generation reactions throughout the entire power generation cell.
改質器2の後側における左右のセルスタック集合体61に挟まれた領域には、図6に示すように、第1収集マニホールドMcおよび第2収集マニホールドMdのそれぞれが、上下に延びるように配置されている。すなわち、セルスタック集合体61、第1収集マニホールドMcおよび第2収集マニホールドMdのそれぞれは、改質器2の外筒21を取り囲むように配置されている。 As shown in Figure 6, in the region between the left and right cell stack assemblies 61 at the rear of the reformer 2, the first collection manifold Mc and the second collection manifold Md are arranged to extend vertically. That is, the cell stack assemblies 61, the first collection manifold Mc, and the second collection manifold Md are arranged to surround the outer cylinder 21 of the reformer 2.
このように、各セルスタック1、第1収集マニホールドMcおよび第2収集マニホールドMdは改質器2の近傍に配置されており、改質器2へ発電反応に伴う廃熱を効率良く与えることが可能である。特に第1収集マニホールドMcは、アノードオフガスGdに含まれる廃熱を積極的に改質器2に与える役割を持つ。また第2収集マニホールドMdは、カソードオフガスGeに含まれる廃熱を積極的に改質器2に与える役割を持つ。これにより、改質器2における触媒層での吸熱量が大幅に増加するため、水蒸気改質反応の効率がアップし、触媒使用量が低減されて改質器2の小型化を実現できる。 Thus, each cell stack 1, the first collection manifold Mc, and the second collection manifold Md are positioned near the reformer 2, enabling efficient transfer of waste heat from the power generation reaction to the reformer 2. In particular, the first collection manifold Mc actively transfers waste heat contained in the anode off-gas Gd to the reformer 2. Similarly, the second collection manifold Md actively transfers waste heat contained in the cathode off-gas Ge to the reformer 2. This significantly increases the amount of heat absorbed in the catalyst layer of the reformer 2, thereby improving the efficiency of the steam reforming reaction, reducing catalyst usage, and enabling a smaller reformer 2.
<改質器、バーナ、熱放射筒>
次に、改質器2、バーナ3、および熱放射筒Zaの構成等について、より詳細に説明する。なお本実施形態の例では、改質器2、バーナ3、および熱放射筒Zaは、改質ガス発生装置RGとして一体的に構成されている。
<Reformer, burner, heat radiation tube>
Next, the configuration of the reformer 2, burner 3, and heat radiation cylinder Za will be described in more detail. In this embodiment, the reformer 2, burner 3, and heat radiation cylinder Za are integrally configured as a reformed gas generator RG.
図9は、改質ガス発生装置RGの側面図を示し、図10は、改質ガス発生装置RGの側方視による断面図を示す。また図11は、改質ガス発生装置RGにおけるバーナ3近傍の詳細構成を示す。なお図11においては、点火/火炎検知回路40の回路の構成例が模式的に示されている。 Figure 9 shows a side view of the reformed gas generator RG, and Figure 10 shows a cross-sectional view of the reformed gas generator RG from the side. Figure 11 shows the detailed configuration near the burner 3 in the reformed gas generator RG. Figure 11 schematically shows an example of the circuit configuration of the ignition/flame detection circuit 40.
改質ガス発生装置RGにおいて、改質器2は、外筒21、内筒22、触媒充填層23、基端側蓋板24、および末端側蓋板25を有する。 In the reformed gas generator RG, the reformer 2 comprises an outer cylinder 21, an inner cylinder 22, a catalyst-packed bed 23, a base end cover plate 24, and an end end cover plate 25.
外筒21と内筒22は、上下に延びる軸を共通とした円筒状に形成されており、上下方向の長さは概ね同じであるが、外筒21の直径は内筒22の直径よりも大きい。外筒21と内筒22は、内筒22が外筒21の内側に配置された二重筒構造の反応容器2aを形成している。外筒21と内筒22の間、すなわち反応容器2aの内部には、水蒸気改質用の触媒を充填した触媒充填層23が設けられている。 The outer cylinder 21 and the inner cylinder 22 are formed in a cylindrical shape with a common axis extending vertically. Their vertical lengths are approximately the same, but the diameter of the outer cylinder 21 is larger than the diameter of the inner cylinder 22. The outer cylinder 21 and the inner cylinder 22 form a double-cylinder reaction vessel 2a, with the inner cylinder 22 positioned inside the outer cylinder 21. Between the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22, i.e., inside the reaction vessel 2a, is a catalyst-packed bed 23 filled with a catalyst for steam reforming.
基端側蓋板24は、外筒21と内筒22の基端部(上端部)どうしを繋いで反応容器2aの上側を封鎖し、末端側蓋板25は、外筒21と内筒22の末端部(下端部)どうしを繋いで反応容器2aの下側を封鎖している。 The base end cover plate 24 connects the base ends (upper ends) of the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22, sealing the upper side of the reaction vessel 2a. The end end cover plate 25 connects the end portions (lower ends) of the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22, sealing the lower side of the reaction vessel 2a.
なお、基端側蓋板24および末端側蓋板25は円環状鏡板であり、当該円環状鏡板は、円環の断面形状が皿形、正半楕円形または近似半楕円形となっている。反応容器2aの蓋板に円環状鏡板を使用することにより、温度変化による径方向の膨張や収縮が吸収される。そのため、熱応力による反応容器2aの損傷や破損をより効果的に回避することができる。なお、上記の鏡板の断面形状は、JIS B 8247「圧力容器用鏡板」に規定されたもののうち、平鏡板を除くものである。 The base end cover plate 24 and the end end cover plate 25 are annular end plates, and the cross-sectional shape of these annular end plates is dish-shaped, regular semi-elliptical, or approximately semi-elliptical. By using annular end plates for the cover plates of the reaction vessel 2a, radial expansion and contraction due to temperature changes are absorbed. Therefore, damage and breakage of the reaction vessel 2a due to thermal stress can be more effectively avoided. The cross-sectional shapes of the above end plates are those specified in JIS B 8247 "End plates for pressure vessels," excluding flat end plates.
また、外筒21における取入口21aよりも少し上側の部分には、ベローズ構造の伸縮吸収部21cが形成されている。伸縮吸収部21cを設けたことにより、外筒21の時間的な温度変化や位置的な温度分布による伸縮が吸収される。そのため、触媒を収容している反応容器2aの熱応力による損傷や破損を回避しつつ、反応容器2aを長期間使用することができる。なお、伸縮吸収部21cとしては、市販のベローズ形伸縮管継手を使用するのが好適であり、この管継手とストレート管を接合して外筒21を安価に製作することができる。 Furthermore, a bellows-type expansion/contraction absorption section 21c is formed in the outer cylinder 21 slightly above the intake port 21a. By providing the expansion/contraction absorption section 21c, expansion and contraction of the outer cylinder 21 due to temporal temperature changes and positional temperature distribution are absorbed. Therefore, damage or breakage due to thermal stress to the reaction vessel 2a containing the catalyst can be avoided, allowing the reaction vessel 2a to be used for a long period of time. It is preferable to use a commercially available bellows-type expansion joint as the expansion/contraction absorption section 21c, and the outer cylinder 21 can be manufactured inexpensively by joining this joint to a straight pipe.
また改質ガス発生装置RGにおいて、バーナ3は、第1ガス筒31、第2ガス筒32、保炎器33、および熱放射筒Zaを有する。 Furthermore, in the reformed gas generator RG, the burner 3 includes a first gas cylinder 31, a second gas cylinder 32, a flame holder 33, and a heat radiation cylinder Za.
第1ガス筒31と第2ガス筒32は、上下に延びる軸を共通とした円筒状に形成されており、第2ガス筒32の直径は第1ガス筒31の直径よりも大きい。第1ガス筒31の上側寄りの部分は、第2ガス筒32の上端よりも上方へ突出しており、第1ガス筒31の下側寄りの部分は、第2ガス筒32の内側に配置されている。第1ガス筒31の上端は封鎖されており、第1ガス筒31と第2ガス筒32との隙間は、第2ガス筒32の上端において封鎖されている。 The first gas cylinder 31 and the second gas cylinder 32 are formed in a cylindrical shape with a common vertically extending axis, and the diameter of the second gas cylinder 32 is larger than the diameter of the first gas cylinder 31. The upper portion of the first gas cylinder 31 protrudes above the upper end of the second gas cylinder 32, and the lower portion of the first gas cylinder 31 is positioned inside the second gas cylinder 32. The upper end of the first gas cylinder 31 is sealed, and the gap between the first gas cylinder 31 and the second gas cylinder 32 is sealed at the upper end of the second gas cylinder 32.
第2ガス筒32と熱放射筒Zaは1本の管体により形成されており、第2ガス筒32の下端は熱放射筒Zaの上端に連接している。このように第2ガス筒32と熱放射筒Zaを1本の管体で形成することにより、両部材の芯合わせや接合等の作業が不要となり、バーナ3を低コストで製作できる。また図10に示すように、第1ガス筒31の上部には先述した第1バーナ用ガスGxが流入し、第2ガス筒32の上部には先述した第2バーナ用ガスGyが流入する。 The second gas cylinder 32 and the heat radiation cylinder Za are formed from a single pipe, with the lower end of the second gas cylinder 32 connected to the upper end of the heat radiation cylinder Za. By forming the second gas cylinder 32 and the heat radiation cylinder Za from a single pipe in this way, the need for alignment and joining of the two components is eliminated, allowing the burner 3 to be manufactured at a low cost. Furthermore, as shown in Figure 10, the aforementioned first burner gas Gx flows into the upper part of the first gas cylinder 31, and the aforementioned second burner gas Gy flows into the upper part of the second gas cylinder 32.
保炎器33は、第1ガス筒31の下端に接続されるとともに、先端部が下方(燃焼させるガスの流れの下流側)に向かって拡開する円錐台状に形成されている。また保炎器33は、拡開方向に間隔をおいた多列の貫通孔33aを有している。また、保炎器33の外径と第2ガス筒32の内径は略同径に形成されており、これによりバーナ3は、第1バーナ用ガスGxと第2バーナ用ガスGyを燃焼させ、第2ガス筒32の内径の径方向断面の全体に亘って、安定した火炎を形成することが可能である。 The flame holder 33 is connected to the lower end of the first gas cylinder 31 and is formed in a frustoconical shape with its tip widening downwards (towards the downstream side of the flow of the gas to be burned). The flame holder 33 also has multiple rows of through holes 33a spaced apart in the widening direction. Furthermore, the outer diameter of the flame holder 33 and the inner diameter of the second gas cylinder 32 are formed to be approximately the same diameter. This allows the burner 3 to burn the first burner gas Gx and the second burner gas Gy, forming a stable flame across the entire radial cross-section of the inner diameter of the second gas cylinder 32.
また図11に示すように、バーナ3には、第1電極ロッド41および第2電極ロッド42からなる電極対40xが備えられており、電極対40xの先端部が保炎器33の内部に配置されている。第1電極ロッド41は、第1ガス筒31と電気的に絶縁されており、第2電極ロッド42は、第1ガス筒31と電気的に導通している。 As shown in Figure 11, the burner 3 is equipped with an electrode pair 40x consisting of a first electrode rod 41 and a second electrode rod 42, with the tips of the electrode pair 40x positioned inside the flame holder 33. The first electrode rod 41 is electrically insulated from the first gas cylinder 31, while the second electrode rod 42 is electrically conductive to the first gas cylinder 31.
電極対40xは、ガス点火の動作制御と火炎検知を行う点火/火炎検知回路40に接続されており、ガス点火と火炎検知の両方に利用することが可能である。点火/火炎検知回路40は、ガス点火部40a、電流検知部40b、第1スイッチ40c1、および第2スイッチ40c2を有している。点火/火炎検知回路40は、ガス点火時には、第1スイッチ40c1を閉じて第2スイッチ40c2を開くことで電極対40xをガス点火部40aに接続させ、ガス点火部40aからの高電流を電極間に流して火花を発生させて、ガス点火を実現させる。 The electrode pair 40x is connected to an ignition/flame detection circuit 40, which controls the operation of gas ignition and detects flames. It can be used for both gas ignition and flame detection. The ignition/flame detection circuit 40 includes a gas ignition unit 40a, a current detection unit 40b, a first switch 40c1, and a second switch 40c2. During gas ignition, the ignition/flame detection circuit 40 closes the first switch 40c1 and opens the second switch 40c2 to connect the electrode pair 40x to the gas ignition unit 40a. A high current from the gas ignition unit 40a flows between the electrodes, generating a spark and achieving gas ignition.
一方で点火/火炎検知回路40は、火炎検知時には、第1スイッチ40c1を開いて第2スイッチ40c2を閉じることで電極対40xを電流検知部40bに接続させ、電極間に電圧を印加して生じる電流を電流検知部40bに検知させて、火炎の有無を判断する。これにより、電極間に電圧を印加したときの火炎の導電現象を利用して、火炎の有無を検知することが可能である。 On the other hand, when a flame is detected, the ignition/flame detection circuit 40 opens the first switch 40c1 and closes the second switch 40c2, connecting the electrode pair 40x to the current detection unit 40b. A voltage is then applied between the electrodes, and the current generated is detected by the current detection unit 40b to determine the presence or absence of a flame. This allows for the detection of the presence or absence of a flame by utilizing the conductivity phenomenon of the flame when a voltage is applied between the electrodes.
このようにバーナ3は、ガス点火時においては、第1電極ロッド41をスパークロッドとして機能させるとともに、第2電極ロッド42をアースロッドとして機能させる。一方でバーナ3は、火炎検知時においては、第1電極ロッド41をフレームロッドとして機能させるとともに、第2電極ロッド42をアースロッドとして機能させる。そのためバーナ3によれば、第1電極ロッド41および第2電極ロッド42からなる電極対40xを用いて、ガス点火機構と火炎検知機構を切替可能に構成することにより、確実かつ安全な燃焼動作を行うことができる。 Thus, during gas ignition, the burner 3 functions with the first electrode rod 41 as a spark rod and the second electrode rod 42 as a ground rod. Conversely, during flame detection, the burner 3 functions with the first electrode rod 41 as a flame rod and the second electrode rod 42 as a ground rod. Therefore, by using the electrode pair 40x consisting of the first electrode rod 41 and the second electrode rod 42 to enable switching between the gas ignition mechanism and the flame detection mechanism, the burner 3 can ensure reliable and safe combustion.
熱放射筒Zaは、内筒22と軸を共通とした円筒状に形成されており、熱放射筒Zaの外径は内筒22の内径よりも小さい。また、熱放射筒Zaの上端は、内筒22の内側において第2ガス筒32の下端に連接しており、熱放射筒Zaの下端は、内筒22の下端よりも下方へ突出している。なお熱放射筒Zaは、バーナ3の一要素と見ることもできる。 The heat radiation cylinder Za is formed in a cylindrical shape, sharing an axis with the inner cylinder 22. The outer diameter of the heat radiation cylinder Za is smaller than the inner diameter of the inner cylinder 22. Furthermore, the upper end of the heat radiation cylinder Za is connected to the lower end of the second gas cylinder 32 inside the inner cylinder 22, and the lower end of the heat radiation cylinder Za protrudes downward from the lower end of the inner cylinder 22. The heat radiation cylinder Za can also be considered as an element of the burner 3.
熱放射筒Zaは、バーナ3における燃焼室および燃焼ガスの流通路として機能し、表面が燃焼熱の放射部としての役割を果たす。バーナ3の燃焼炎は熱放射筒Zaの内側に位置するため、この燃焼炎による熱エネルギーを熱放射筒Zaの外面から効率良く放射させることが可能である。本実施形態では熱放射筒Zaを燃焼室筒として機能させるため、触媒を収容している反応容器2aに内側から燃焼熱を与え続けても、熱放射筒Zaの熱応力による損傷や破損を回避することができる。 The heat radiating cylinder Za functions as the combustion chamber and combustion gas flow path in the burner 3, with its surface acting as a heat radiator. Since the combustion flame of the burner 3 is located inside the heat radiating cylinder Za, the thermal energy from this flame can be efficiently radiated from the outer surface of the heat radiating cylinder Za. In this embodiment, because the heat radiating cylinder Za functions as a combustion chamber cylinder, even if combustion heat is continuously applied from the inside to the reaction vessel 2a containing the catalyst, damage or breakage due to thermal stress on the heat radiating cylinder Za can be avoided.
熱放射筒Zaは、周方向全体において内筒22と表面どうしが離れるように、内筒22に挿通されている。このように、熱放射筒Zaの外面と内筒22の内面の間に隙間が設けられている。そのため、水蒸気改質反応のために内筒22側から触媒充填層23へ熱エネルギーを与える際の熱伝達は、熱放射筒Zaからの放射伝熱によって行われ、熱伝導を伴わない。これにより、触媒を収容している反応容器2aの熱応力による損傷や破損を回避しつつ、反応容器2aを長期間使用することが可能である。 The heat radiating cylinder Za is inserted into the inner cylinder 22 such that its surface is separated from the inner cylinder 22 along its entire circumferential direction. Thus, a gap is created between the outer surface of the heat radiating cylinder Za and the inner surface of the inner cylinder 22. Therefore, when heat energy is supplied from the inner cylinder 22 to the catalyst packed bed 23 for the steam reforming reaction, heat transfer occurs through radiant heat transfer from the heat radiating cylinder Za, without the use of heat conduction. This allows for long-term use of the reaction vessel 2a while avoiding damage or breakage due to thermal stress on the reaction vessel 2a containing the catalyst.
また改質器2において、外筒21の下端部近傍には混合ガスGb(原燃料ガスGaと水蒸気の混合ガス)の取入口21aが設けられ、外筒21の上端部近傍には改質ガスGcの取出口21bが設けられている。取入口21aから外筒21と内筒22の間に取り入れられた混合ガスGbは、触媒充填層23を通る際に改質され、改質ガスGcとして取出口21bから取り出される。このように本実施形態では、取入口21aは熱放射筒Zaの先端側に対応する側に設けられ、取出口21bは熱放射筒Zaの基端側に対応する側に設けられている。 Furthermore, in the reformer 2, an inlet 21a for mixed gas Gb (a mixture of raw fuel gas Ga and water vapor) is provided near the lower end of the outer cylinder 21, and an outlet 21b for reformed gas Gc is provided near the upper end of the outer cylinder 21. The mixed gas Gb, taken in between the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22 from the inlet 21a, is reformed as it passes through the catalyst packed bed 23 and is removed as reformed gas Gc from the outlet 21b. Thus, in this embodiment, the inlet 21a is provided on the side corresponding to the tip of the heat radiation cylinder Za, and the outlet 21b is provided on the side corresponding to the base end of the heat radiation cylinder Za.
ここで、燃焼ガスGgの熱エネルギーは、水蒸気改質反応に伴う吸熱に利用されるので、燃焼ガスGgの温度は、熱放射筒Zaの基端側から先端側に向かって低下していくことになる。この点を考慮し、本実施形態では取入口21aと取出口21bの配置を上記のとおりとしたため、取入口21aから流入した混合ガスGbは、温度低下した燃焼ガスGgによって予熱された後、より高温の燃焼ガスGgの熱エネルギーを使って改質される。 Here, the thermal energy of the combustion gas Gg is used for endothermic reactions associated with the steam reforming reaction. Therefore, the temperature of the combustion gas Gg decreases from the base end to the tip end of the heat radiation cylinder Za. Considering this, in this embodiment, the inlet 21a and outlet 21b are arranged as described above. As a result, the mixed gas Gb flowing in from the inlet 21a is preheated by the lower-temperature combustion gas Gg, and then reformed using the thermal energy of the higher-temperature combustion gas Gg.
そして生成した改質ガスGc(水素および一酸化炭素含有ガス)は、取出口21bから連続的に排出され、各セルスタック1のアノード燃料ガスとして使用される。このように本実施形態では、混合ガスGbおよび改質ガスGcの流れと、燃焼ガスの流れを対向流としているので、効率の良い水蒸気改質反応を行わせることができる。 The generated reformed gas Gc (a gas containing hydrogen and carbon monoxide) is continuously discharged from the outlet 21b and used as the anode fuel gas for each cell stack 1. In this embodiment, the flow of the mixed gas Gb and reformed gas Gc is counterflowing to the flow of the combustion gas, allowing for an efficient steam reforming reaction.
但し、取入口21aと取出口21bの配置を本実施形態とは逆にし、取入口21aを熱放射筒Zaの基端側に対応する側に設け、取出口21bを熱放射筒Zaの先端側に対応する側に設けるようにしても良い。この場合は、取入口21aから流入した混合ガスGbは、高温の燃焼ガスGgによって瞬時に予熱された後、やや温度低下した燃焼ガスGgの熱エネルギーを使って改質される。このように、混合ガスGbおよび改質ガスGcの流れと、燃焼ガスGgの流れを並行流とすることで、混合ガスGbの予熱効果が高く、混合ガスGbを調製する蒸発器4の加熱能力(熱交換能力)を抑えた設計が可能となり、蒸発器4のコストダウンが期待できる。 However, the arrangement of the inlet 21a and outlet 21b may be reversed from that of this embodiment, with the inlet 21a located on the side corresponding to the base end of the heat radiation cylinder Za, and the outlet 21b located on the side corresponding to the tip end of the heat radiation cylinder Za. In this case, the mixed gas Gb flowing in from the inlet 21a is instantaneously preheated by the high-temperature combustion gas Gg, and then reformed using the thermal energy of the slightly cooled combustion gas Gg. By making the flow of the mixed gas Gb and reformed gas Gc parallel to the flow of the combustion gas Gg in this way, the preheating effect of the mixed gas Gb is enhanced, and it becomes possible to design the evaporator 4 that prepares the mixed gas Gb with reduced heating capacity (heat exchange capacity), which can be expected to reduce the cost of the evaporator 4.
<燃焼ガス管>
次に、燃焼ガス管Zbの構成等について、より詳細に説明する。図12は、燃焼ガス管Zbの配置形態がより理解容易となるように、各ボックスX1,X2、板状断熱材53、および各マニホールドMa~Md等を不図示としたホットモジュールHMの側面図である。
<Combustion gas pipe>
Next, the configuration of the combustion gas pipe Zb will be explained in more detail. Figure 12 is a side view of the hot module HM, with each box X1, X2, plate-shaped insulation material 53, and each manifold Ma to Md omitted from the diagram, in order to make the arrangement of the combustion gas pipe Zb easier to understand.
本図に示すように燃焼ガス管Zbは、上下に延びるストレート管が左右に(つまり平行に)並ぶように上側でUターンした折り返し管路からなり、改質器2の後側に配置されている。上側で繋がる左右の当該ストレート管は、改質器2の下端近傍から上端近傍まで延びており、改質器2の外筒21の近傍に正対配置されている。なお図12に破線矢印で示すように、燃焼ガスGgは右側の当該ストレート管を上昇して、左側の当該ストレート管を下降するように流れる。 As shown in this figure, the combustion gas pipe Zb consists of a U-turn at the top, where vertically extending straight pipes are arranged horizontally (i.e., parallel to each other), and is located behind the reformer 2. The left and right straight pipes connected at the top extend from near the bottom to near the top of the reformer 2, and are positioned directly opposite the outer cylinder 21 of the reformer 2. As shown by the dashed arrows in Figure 12, the combustion gas Gg flows upward through the right-hand straight pipe and downward through the left-hand straight pipe.
これにより、バーナ3の作動時に発生する燃焼ガスGgは、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbを順に流通し、改質器2の内側と外側から同時に燃焼熱を与えることができる。そのため、触媒層での吸熱量が増加して燃焼ガスGgの温度が大幅に低下する結果、予熱用の熱交換器に温度低下した燃焼ガスGgを供給することが可能となり、熱交換器を安価な材料(例えばSUS321、SUS316L、SUS310S等)で製作することができる。 As a result, the combustion gas Gg generated during the operation of the burner 3 flows sequentially through the heat radiation cylinder Za and the combustion gas pipe Zb, simultaneously supplying combustion heat to the reformer 2 from both the inside and outside. Therefore, the amount of heat absorbed in the catalyst layer increases, significantly lowering the temperature of the combustion gas Gg. This allows the lower-temperature combustion gas Gg to be supplied to the preheating heat exchanger, enabling the heat exchanger to be manufactured using inexpensive materials (e.g., SUS321, SUS316L, SUS310S, etc.).
また、触媒層での吸熱量が大幅に増加することから、水蒸気改質反応の効率がアップし、その分、触媒使用量を低減することができ、改質器2の小型化が可能となっている。なお本実施形態では、改質器2での水蒸気改質反応に必要なエネルギーは、その大部分が燃焼熱によって賄われる。そのため改質器2では、セルスタック1の動作温度に依存することなく、安定した改質ガスGcの生成を行うことができる。 Furthermore, the significant increase in heat absorption in the catalyst layer improves the efficiency of the steam reforming reaction, thereby reducing the amount of catalyst used and enabling miniaturization of the reformer 2. In this embodiment, the energy required for the steam reforming reaction in the reformer 2 is largely supplied by combustion heat. Therefore, the reformer 2 can stably produce reformed gas Gc without depending on the operating temperature of the cell stack 1.
また図12に示すとおり、左側の燃焼ガス管Zbは左側のセルスタック集合体61の右側近傍に正対配置されており、右側の燃焼ガス管Zbは右側のセルスタック集合体61の左側近傍に正対配置されている。これにより、燃料電池システム100はスタートアップ運転時間の短縮が可能となっている。 Furthermore, as shown in Figure 12, the left combustion gas pipe Zb is positioned directly opposite the right side of the left cell stack assembly 61, and the right combustion gas pipe Zb is positioned directly opposite the left side of the right cell stack assembly 61. This allows the fuel cell system 100 to shorten its startup time.
つまり、水蒸気改質を利用する改質形燃料電池システムでは、当該燃料電池システムのスタートアップ運転において、改質器およびセルスタックの昇温に水蒸気(過熱蒸気)を用いることがある。この場合、バーナの燃焼により発生させた燃焼ガスを蒸発器の熱源とし、蒸発器の内部で水を加熱することにより、水蒸気の生成が行われる。しかし水蒸気のみを使った昇温では、一般的に8時間以上もの非常に長いスタートアップ運転時間を有する。この点、本実施形態では、燃焼ガス管Zbを改質器2およびセルスタック集合体61の近傍に配置しているので、バーナ燃焼時の熱放射により、冷態の改質器2およびセルスタック集合体61が間接的に加熱される。そのため、スタートアップ運転時間を例えば4時間前後まで短縮することができる。 In other words, in reformed fuel cell systems that utilize steam reforming, steam (superheated steam) is sometimes used to raise the temperature of the reformer and cell stack during the startup operation of the fuel cell system. In this case, the combustion gas generated by the combustion of the burner is used as the heat source for the evaporator, and steam is generated by heating water inside the evaporator. However, raising the temperature using only steam generally results in a very long startup operation time of 8 hours or more. In this embodiment, however, since the combustion gas pipe Zb is positioned near the reformer 2 and the cell stack assembly 61, the cold reformer 2 and cell stack assembly 61 are indirectly heated by heat radiation during burner combustion. Therefore, the startup operation time can be shortened to, for example, around 4 hours.
なお、本実施形態では改質器2がセルスタック集合体61の近傍に配置されており、セルスタック1の発電反応に伴う廃熱も、改質器2での水蒸気改質反応に補助的に利用される。そのため、発電セルの劣化等により損失エネルギーが増加した場合でも、セルスタック1の冷却が行えることになり、セルスタック1を適切な動作温度に維持することができる。 In this embodiment, the reformer 2 is positioned near the cell stack assembly 61, and the waste heat generated by the power generation reaction in the cell stack 1 is also used to supplement the steam reforming reaction in the reformer 2. Therefore, even if energy loss increases due to deterioration of the power generation cells, the cell stack 1 can be cooled, and the cell stack 1 can be maintained at an appropriate operating temperature.
また本実施形態では、燃焼ガス管Zbを折り返し管路としたことにより、改質器2の外側から繰り返し燃焼熱を与えることができ、触媒層での吸熱量が更に増加する。そのため、触媒使用量の低減と改質器2の小型化により、ホットモジュールHMの材料コストを効果的に削減できる。なお当該折り返し管路は、管路のストレート部が改質器2の軸方向に沿って敷設されても良いし、改質器2の軸方向と直交して敷設されても良い。また、本実施形態では当該折り返し管路のターン数を1としているが、当該折り返し管路のターン数を複数としても良い。 Furthermore, in this embodiment, by using a folded pipeline for the combustion gas pipe Zb, combustion heat can be repeatedly supplied from the outside of the reformer 2, further increasing the amount of heat absorbed in the catalyst layer. Therefore, the material cost of the hot module HM can be effectively reduced by decreasing the amount of catalyst used and miniaturizing the reformer 2. The folded pipeline may be laid with its straight section aligned with the axial direction of the reformer 2, or it may be laid perpendicular to the axial direction of the reformer 2. Also, in this embodiment, the number of turns in the folded pipeline is set to one, but the number of turns in the folded pipeline may be multiple.
<セルスタック>
次に、セルスタック1の構成等について、より詳細に説明する。図13および図14はセルスタック1の斜視図であり、図14はセルスタック1の平面図である。
<Cell Stack>
Next, the configuration of the cell stack 1 will be explained in more detail. Figures 13 and 14 are perspective views of the cell stack 1, and Figure 14 is a plan view of the cell stack 1.
図13~図15に示すようにセルスタック1は、所定数の平板型発電セルが左右に積層された積層部75、積層部75の左端に設けた第1端板76a、および、積層部75の右端に設けた第2端板76bを備える。第1端板76aと第2端板76bは、積層部75を挟んで左右に対向する一対の端板として設けられており、左方視で略矩形状である。 As shown in Figures 13 to 15, the cell stack 1 comprises a stacked section 75 in which a predetermined number of flat-plate power generation cells are stacked on the left and right sides, a first end plate 76a provided at the left end of the stacked section 75, and a second end plate 76b provided at the right end of the stacked section 75. The first end plate 76a and the second end plate 76b are provided as a pair of end plates facing each other on the left and right sides of the stacked section 75, and are approximately rectangular in shape when viewed from the left.
第1端板76aにおける四隅それぞれの近傍には、フランジ付ガスポート72が配置されている。具体的には図14に示すように、アノード燃料流入ポート72a、カソード空気流入ポート72b、アノードオフガス流出ポート72c、およびカソードオフガス流出ポート72dからなる計4個のフランジ付ガスポート72が設けられている。各フランジ付ガスポート72は、左側(外側)の縁の全周から径方向へ張り出すフランジ部72xを有する。 Flanged gas ports 72 are positioned near each of the four corners of the first end plate 76a. Specifically, as shown in Figure 14, a total of four flanged gas ports 72 are provided, consisting of an anode fuel inlet port 72a, a cathode air inlet port 72b, an anode off-gas outlet port 72c, and a cathode off-gas outlet port 72d. Each flanged gas port 72 has a flange portion 72x that extends radially from the entire circumference of its left (outer) edge.
またセルスタック1には、各フランジ付ガスポート72のフランジ部72xの縁部に固定される支持板71が設けられる。支持板71は、各フランジ付ガスポート72のフランジ72xそれぞれの位置とサイズに合わせた貫通孔が形成されており、当該貫通孔それぞれの内周面に各フランジ部72xの外周面が密着する。 Furthermore, the cell stack 1 is provided with support plates 71 that are fixed to the edges of the flange portions 72x of each flanged gas port 72. The support plates 71 have through holes formed to match the position and size of each flange 72x of the flanged gas port 72, and the outer surface of each flange portion 72x is in close contact with the inner surface of each through hole.
積層部75の前側には、積層部75の発電セルによって発電された電力を出力する端子として、上下を幅方向とした板状の第1電力端子74aおよび第2電力端子74bが配置されている。なお、第1電力端子74aと第2電力端子74bは、互いに極性が異なる電力端子である。第1電力端子74aは、積層部75の前側から前方へ突出して、端部74a1が左側に折り曲げられている。第2電力端子74bは、積層部75の前側における第1電力端子74aよりも左下寄りの位置から前方へ突出して、端部74b1が右側に折り曲げられている。 On the front side of the laminated section 75, a plate-shaped first power terminal 74a and a second power terminal 74b are arranged as terminals for outputting the power generated by the power generation cells of the laminated section 75. The first power terminal 74a and the second power terminal 74b are power terminals with opposite polarities. The first power terminal 74a protrudes forward from the front side of the laminated section 75, with its end 74a1 bent to the left. The second power terminal 74b protrudes forward from a position slightly lower and to the left of the first power terminal 74a on the front side of the laminated section 75, with its end 74b1 bent to the right.
このように、第1電力端子74aおよび第2電力端子74bは、積層部75における平板型発電セルの積層面(左右方向と直交する平面)に略平行かつ同一方向(本実施形態の例では前方)に突出している。各電力端子の端部74a1,74b1は、何れも前方を向いた平面を構成しており、前後方向および左右方向の位置が同じである。 Thus, the first power terminal 74a and the second power terminal 74b protrude substantially parallel to and in the same direction (forward in this embodiment) from the stacking surface (a plane perpendicular to the left-right direction) of the flat-plate power generation cell in the stacked section 75. The ends 74a1 and 74b1 of each power terminal form a plane facing forward, and their positions are the same in both the front-to-back and left-to-right directions.
<セルスタック集合体>
次に、セルスタック集合体61の構成等について、より詳細に説明する。図16および図17は、それぞれ異なる視点から見た左側のスタック集合体61の斜視図である。なお本実施形態の例では、右側のセルスタック集合体61におけるセルスタック1は、左側のセルスタック集合体61におけるセルスタック1とは上下逆向きに配置される。これにより改質器2を挟んで左右に設けられる各セルスタック集合体61は、各電力端子74a,74bが前方に位置しながら、フランジ付ガスポート72が左右方向内側に位置するように構成される。
<Cell stack assembly>
Next, the configuration of the cell stack assembly 61 will be described in more detail. Figures 16 and 17 are perspective views of the left stack assembly 61 from different viewpoints. In this embodiment, the cell stack 1 in the right cell stack assembly 61 is arranged in the opposite orientation to the cell stack 1 in the left cell stack assembly 61. As a result, each cell stack assembly 61 provided on the left and right sides of the reformer 2 is configured such that the power terminals 74a and 74b are located at the front, while the flanged gas port 72 is located inward in the left-right direction.
スタック集合体61は、オープンラック62を用いて複数のセルスタック1を上下方向に積み上げた構成となっている。これにより、セルスタック集合体61の設置面積、ひいてはホットモジュールHMの設置面積を極力小さくすることが可能である。そのため本実施形態によれば、既設設備の空きスペース等、狭い場所に設置しやすい燃料電池システム100を構築することができる。また、複数基のセルスタック集合体61をホットモジュールHMに搭載することにより、燃料電池システム100の発電出力の大容量化も容易である。 The stack assembly 61 is constructed by stacking multiple cell stacks 1 vertically using an open rack 62. This makes it possible to minimize the installation area of the cell stack assembly 61, and consequently, the installation area of the hot module HM. Therefore, according to this embodiment, a fuel cell system 100 can be easily constructed in narrow spaces, such as empty spaces in existing facilities. Furthermore, by mounting multiple cell stack assemblies 61 on the hot module HM, it is easy to increase the power output capacity of the fuel cell system 100.
オープンラック62は、上下に延びる柱部64が上方視四隅それぞれに設けられ、この4本の柱部64に固定支持されるようにして、複数のステージ盤63が上下方向へ略等間隔に配置されている。ステージ盤63に挟まれるスペースのサイズは、セルスタック1のサイズに合うように設定されている。 The open rack 62 has vertically extending column sections 64 at each of the four corners when viewed from above. Multiple stage boards 63 are fixedly supported by these four column sections 64 and arranged at approximately equal intervals in the vertical direction. The size of the space between the stage boards 63 is set to match the size of the cell stack 1.
個々のセルスタック1は、ステージ盤63の上に載置されるとともに、例えばネジ止めによって支持板71が右側の柱部64に固定されて、オープンラック62に収容される。そのためセルスタック集合体61の組み立ては、セルスタック1をステージ盤63に載置し、支持板71を柱部64に固定する作業を繰り返すだけでよい。これにより、セルスタック集合体61を容易に組み立てることができる。また、個々のセルスタック1は、ステージ盤63により安定的に自重が支えられ、上下方向の適正位置に保持されるとともに運転中の脱落が防止される。 Each cell stack 1 is placed on the stage base 63, and a support plate 71 is fixed to the right-side column 64, for example, by screws, and then housed in the open rack 62. Therefore, assembling the cell stack assembly 61 only requires repeatedly placing the cell stack 1 on the stage base 63 and fixing the support plate 71 to the column 64. This allows for easy assembly of the cell stack assembly 61. Furthermore, each cell stack 1 is stably supported by its own weight on the stage base 63, held in the correct vertical position, and prevented from falling off during operation.
また、上述したオープンラック62は、規定数量(本実施形態の例では4個)のセルスタック1を搭載可能に設計されているが、当該オープンラックの代わりに、1個のセルスタック1に対応する単位ラックの複数個を組み立てたオープンラックを採用しても良い。図18は、このようなオープンラックを形成し得る単位ラック62aにセルスタック1を搭載した状態を例示している。 Furthermore, although the open rack 62 described above is designed to accommodate a specified number (four in this embodiment) of cell stacks 1, an open rack assembled from multiple unit racks corresponding to one cell stack 1 may be used instead. Figure 18 illustrates a state in which cell stacks 1 are mounted on a unit rack 62a that can form such an open rack.
単位ラック61aは、オープンラック62におけるステージ盤63の1段分と同等の構成であるステージ盤63aと、オープンラック62における4本の柱部64の1段分と同等の構成である4本の柱部64aと、を備え、単位ラック61aどうしを上下方向に段積みして固定することが可能となっている。これにより、オープンラック62の場合と同様にして、所要数量のセルスタック1それぞれを各単位ラック61aに収容しておき、収容済みの単位ラック61a(スタック保持体)それぞれを段積みして固定することにより、先述したスタック集合体61と同等のものを得ることができる。 Each unit rack 61a comprises a stage panel 63a, which has the same configuration as one level of the stage panel 63 in the open rack 62, and four column sections 64a, which have the same configuration as one level of the four column sections 64 in the open rack 62. This allows the unit racks 61a to be stacked and fixed vertically. Thus, similar to the open rack 62, the required number of cell stacks 1 can be housed in each unit rack 61a, and by stacking and fixing the housed unit racks 61a (stack holders), an assembly equivalent to the aforementioned stack assembly 61 can be obtained.
この場合のオープンラックは、セルスタック1ごとに分割された単位ラック61aによって形成されることになる。このように単位ラック61aを利用する場合は、例えばホットモジュールHMの発電出力に応じて、セルスタック1の搭載数を容易に調節することができる。また、オープンラックにセルスタック1を搭載しない空き部分が生じないので、ラックの材料コストを削減することもできる。 In this case, the open rack is formed by unit racks 61a, each divided for each cell stack 1. When using unit racks 61a in this way, the number of cell stacks 1 can be easily adjusted, for example, according to the power output of the hot module HM. Furthermore, since there are no empty spaces in the open rack where cell stacks 1 are not installed, the material cost of the rack can be reduced.
<マニホールドの枝管>
全てのセルスタック1における各フランジ付ガスポート72は、対応するマニホールドから延びる枝管に接続されている。具体的には、アノード燃料流入ポート72aは第1分配マニホールドMaから延びる枝管に接続され、カソード空気流入ポート72bは第2分配マニホールドMbから延びる枝管に接続され、アノードオフガス流出ポート72cは第1収集マニホールドMcから延びる枝管に接続され、カソードオフガス流出ポート72dは第2収集マニホールドMdから延びる枝管に接続されている。本実施形態では8個のセルスタック1を有しているため、それぞれのマニホールドから各々8本の枝管が延びる構成である。
<Manifold branch pipes>
Each flanged gas port 72 in all cell stacks 1 is connected to a branch pipe extending from the corresponding manifold. Specifically, the anode fuel inlet port 72a is connected to a branch pipe extending from the first distribution manifold Ma, the cathode air inlet port 72b is connected to a branch pipe extending from the second distribution manifold Mb, the anode off-gas outlet port 72c is connected to a branch pipe extending from the first collection manifold Mc, and the cathode off-gas outlet port 72d is connected to a branch pipe extending from the second collection manifold Md. In this embodiment, there are eight cell stacks 1, so eight branch pipes extend from each manifold.
各マニホールドMa~Mdから延びる枝管は、対応するフランジ付ガスポート72と当該マニホールドを結ぶ最短距離よりも長い管長を有し、かつ湾曲部を含んで構成されている。また、何れの枝管にも先端にフランジが設けられており、当該フランジを、対応するフランジ付ガスポート72のフランジ部72xに連結させることが可能である。 Each branch pipe extending from manifolds Ma to Md has a length longer than the shortest distance connecting the corresponding flanged gas port 72 to the manifold, and includes a curved section. Furthermore, each branch pipe is provided with a flange at its end, allowing it to be connected to the flange portion 72x of the corresponding flanged gas port 72.
ここで図19に、各マニホールドMa~Md(便宜的に「マニホールドMx」と総称する。)から延びる枝管の構成例を示す。本図に示す何れの枝管BPも、マニホールドMxから延びて先端にフランジFgが設けられている。 Figure 19 shows an example of the configuration of branch pipes extending from each manifold Ma to Md (collectively referred to as "Manifold Mx" for convenience). All branch pipes BP shown in this figure extend from Manifold Mx and have a flange Fg at their ends.
図19(A)に示す例では、マニホールドMxから2個のセルスタック1に対して2本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管BPには湾曲部CV1が含まれ、他方の枝管BPには湾曲部CV2が含まれている。これらの湾曲部CV1,CV2は何れも、平面的な(つまり二次元的な)パイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV1の全領域で枝管BPの断面視中心(枝管BPの延びる方向に直交する平面で切断した場合の断面視中心)は同一の平面(マニホールドMxの軸方向と直交する平面)に含まれており、湾曲部CV2の全領域でも枝管BPの断面視中心は同一の平面(マニホールドMxの軸方向と直交する平面)に含まれている。 In the example shown in Figure 19(A), two branch pipes BP extend from the manifold Mx to two cell stacks 1, partially illustrating the configuration. One branch pipe BP includes a curved section CV1, and the other branch pipe BP includes a curved section CV2. Both of these curved sections CV1 and CV2 are planar (i.e., two-dimensional) pipe structures. Specifically, the cross-sectional center of the branch pipe BP (the cross-sectional center when cut by a plane perpendicular to the direction in which the branch pipe BP extends) is contained within the same plane (the plane perpendicular to the axial direction of the manifold Mx) throughout the entire region of the curved section CV1, and the cross-sectional center of the branch pipe BP is also contained within the same plane (the plane perpendicular to the axial direction of the manifold Mx) throughout the entire region of the curved section CV2.
図19(B)に示す例では、マニホールドMxから1個のセルスタック1に対して1本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、この枝管BPには湾曲部CV3が含まれている。この湾曲部CV3も、平面的なパイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV3の全領域で枝管BPの断面視中心は同一の平面(マニホールドMxの軸方向と直交する平面)に含まれている。また当該枝管BPには途中にベローズ形伸縮管継手Bp1が設けられており、枝管BPの伸縮を吸収させることが可能となっている。 In the example shown in Figure 19(B), a branch pipe BP extends from a manifold Mx to a single cell stack 1, partially illustrating the configuration. This branch pipe BP includes a curved section CV3. This curved section CV3 also has a planar pipe structure. That is, the cross-sectional center of the branch pipe BP is contained within the same plane (a plane perpendicular to the axial direction of the manifold Mx) throughout the entire region of the curved section CV3. Furthermore, a bellows-type expansion joint Bp1 is provided in the branch pipe BP, allowing it to absorb expansion and contraction.
図19(C)に示す例では、マニホールドMxから2個のセルスタック1に対して2本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管BPには湾曲部CV4が含まれ、他方の枝管BPには湾曲部CV5が含まれている。これらの湾曲部CV4,CV5は何れも、立体的な(つまり三次元的な)パイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV4,CV5の何れにおいても、全領域で枝管BPの断面視中心が同一の平面に含まれるようにはなっていない。 In the example shown in Figure 19(C), two branch pipes BP extend from the manifold Mx to two cell stacks 1, partially illustrating the configuration. One branch pipe BP includes a curved section CV4, and the other branch pipe BP includes a curved section CV5. Both of these curved sections CV4 and CV5 have a three-dimensional pipe structure. That is, in neither the curved section CV4 nor CV5, the cross-sectional viewing center of the branch pipe BP is contained within the same plane throughout its entire region.
図19(D)に示す例では、マニホールドMxから2個のセルスタック1に対して2本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管BPには湾曲部CV6が含まれ、他方の枝管BPには湾曲部CV7が含まれている。これらの湾曲部CV6,CV7は何れも、立体的なパイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV6,CV7の何れにおいても、全領域で枝管BPの断面視中心が同一の平面に含まれるようにはなっていない。 In the example shown in Figure 19(D), two branch pipes BP extend from the manifold Mx to two cell stacks 1, partially illustrating the configuration. One branch pipe BP includes a curved section CV6, and the other branch pipe BP includes a curved section CV7. Both of these curved sections CV6 and CV7 have a three-dimensional pipe structure. That is, in neither of the curved sections CV6 nor CV7, the cross-sectional center of the branch pipe BP is contained within the same plane throughout its entire region.
図19(A)或いは(B)に示す例のように、マニホールドMxの枝管BPに平面的なパイプ構造を有する湾曲部を設けるようにすると、主に枝管BPの水平方向(ホットモジュールHMの上下方向と直交する方向)に生じるパイプの伸縮を、効果的に吸収することができる。これにより、フランジ付ガスポート72との接合部に作用するストレスに基因するガスリークの問題が解消される。 As shown in the example in Figure 19(A) or (B), by providing a curved section with a planar pipe structure in the branch pipe BP of the manifold Mx, the expansion and contraction of the pipe, mainly occurring in the horizontal direction of the branch pipe BP (perpendicular to the vertical direction of the hot module HM), can be effectively absorbed. This eliminates the problem of gas leakage caused by stress acting on the joint with the flanged gas port 72.
一方で図19(C)或いは(D)に示す例のように、マニホールドMxの枝管BPに立体的なパイプ構造を有する湾曲部を設けるようにすると、枝管BPの水平方向に加えて高さ方向(ホットモジュールHMの上下方向)に生じるパイプの伸縮も、効果的に吸収することができる。これにより、フランジ付ガスポート72との接合部に作用するストレスに基因するガスリークの問題が解消される。各マニホールドMa~Mdの枝管にどのパイプ構造の湾曲部を設けるかは、例えばホットモジュールHMの仕様等に応じて決めることができる。 On the other hand, as shown in the example in Figure 19(C) or (D), if a curved section with a three-dimensional pipe structure is provided in the branch pipe BP of manifold Mx, expansion and contraction of the pipe occurring not only in the horizontal direction but also in the vertical direction (up and down direction of the hot module HM) can be effectively absorbed. This eliminates the problem of gas leakage caused by stress acting on the joint with the flanged gas port 72. The type of pipe structure to be provided in the curved section of each branch pipe of manifolds Ma to Md can be determined, for example, according to the specifications of the hot module HM.
<電力端子およびその接続形態>
また左右両方のスタック集合体61において、各セルスタック1における各電力端子74a,74bは何れも前方に突出しており、これらの電力端子の端部74a1,74b1は、前後方向および左右方向の位置が同じとなるように揃えられている。また、同じスタック集合体61におけるセルスタック1どうしでは、第1電力端子74aおよび第2電力端子74bの上下の位置関係が揃えられている。すなわち、右側のスタック集合体61では、何れのセルスタック1においても第1電力端子74aが第2電力端子74bよりも上側にあり、左側のスタック集合体61では、何れのセルスタック1においても第1電力端子74aが第2電力端子74bよりも下側にある。
<Power terminals and their connection configurations>
Furthermore, in both the left and right stack assemblies 61, each power terminal 74a and 74b in each cell stack 1 protrudes forward, and the ends 74a1 and 74b1 of these power terminals are aligned so that their positions are the same in the front-to-back and left-to-right directions. Also, within the same stack assemblies 61, the vertical positional relationship between the first power terminal 74a and the second power terminal 74b is aligned. That is, in the right stack assemblies 61, the first power terminal 74a is above the second power terminal 74b in every cell stack 1, and in the left stack assemblies 61, the first power terminal 74a is below the second power terminal 74b in every cell stack 1.
そして近接するセルスタック1どうしの各電力端子74a,74bは、図5や図7等に示すように、メインバスバー78aおよびサブバスバー78bを用いて電気的に接続されるようにし、各セルスタック1の発電電力を纏めて外部へ出力させることが可能となっている。なお各バスバー78a,78bは、例えば、各電力端子の端部74a1,74b1にネジ止め等によって接続固定される。 The power terminals 74a and 74b of adjacent cell stacks 1 are electrically connected using a main busbar 78a and a sub-busbar 78b, as shown in Figures 5 and 7, allowing the generated power of each cell stack 1 to be combined and output externally. The busbars 78a and 78b are connected and fixed to the ends 74a1 and 74b1 of the power terminals, for example, by screws.
ここで図20は、各電力端子74a,74bの接続形態を模式的に示している。本図に示すように、右側のセルスタック集合体61の各セルスタック1においては、第1電力端子74aが第2電力端子74bより上側に設けられており、左側のセルスタック集合体61の各セルスタック1においては、第1電力端子74aが第2電力端子74bより下側に設けられている。 Figure 20 schematically shows the connection configuration of each power terminal 74a and 74b. As shown in this figure, in each cell stack 1 of the cell stack assembly 61 on the right, the first power terminal 74a is located above the second power terminal 74b, and in each cell stack 1 of the cell stack assembly 61 on the left, the first power terminal 74a is located below the second power terminal 74b.
右側のセルスタック集合体61では、最上段のセルスタック1の第2電力端子74bと上から2段目のセルスタック1の第1電力端子74aとの接続、上から2段目のセルスタック1の第2電力端子74bと上から3段目のセルスタック1の第1電力端子74aとの接続、および、上から3段目のセルスタック1の第2電力端子74bと最下段のセルスタック1の第1電力端子74aとの接続のそれぞれが、メインバスバー78aにより実現されている。 In the cell stack assembly 61 on the right, the connections between the second power terminal 74b of the uppermost cell stack 1 and the first power terminal 74a of the second cell stack 1 from the top, the second power terminal 74b of the second cell stack 1 from the top and the first power terminal 74a of the third cell stack 1 from the top, and the second power terminal 74b of the third cell stack 1 from the top and the first power terminal 74a of the lowest cell stack 1 are all realized by the main busbar 78a.
左側のセルスタック集合体61では、最上段のセルスタック1の第1電力端子74aと上から2段目のセルスタック1の第2電力端子74bとの接続、上から2段目のセルスタック1の第1電力端子74aと上から3段目のセルスタック1の第2電力端子74bとの接続、および、上から3段目のセルスタック1の第1電力端子74aと最下段のセルスタック1の第2電力端子74bとの接続のそれぞれが、メインバスバー78aにより実現されている。 In the cell stack assembly 61 on the left, the connections between the first power terminal 74a of the topmost cell stack 1 and the second power terminal 74b of the second cell stack 1 from the top, the first power terminal 74a of the second cell stack 1 from the top and the second power terminal 74b of the third cell stack 1 from the top, and the first power terminal 74a of the third cell stack 1 from the top and the second power terminal 74b of the bottommost cell stack 1 are all realized by the main busbar 78a.
更に、右側のセルスタック集合体61における最下段のセルスタック1の第2電力端子74bと、左側のセルスタック集合体61における最下段のセルスタック1の第1電力端子74aとが、サブバスバー78bにより実現されている。また、右側のセルスタック集合体61における最上段のセルスタック1の第1電力端子74a、および、左側のセルスタック集合体61における最上段のセルスタック1の第2電力端子74bは、それぞれ別の電力線79に接続されている。これらの電力線79は、それぞれ別の電力線保護管79aに保護されており、ホットモジュールHMの外部に延出する。 Furthermore, the second power terminal 74b of the lowest cell stack 1 in the right-hand cell stack assembly 61 and the first power terminal 74a of the lowest cell stack 1 in the left-hand cell stack assembly 61 are realized by a sub-busbar 78b. Also, the first power terminal 74a of the uppermost cell stack 1 in the right-hand cell stack assembly 61 and the second power terminal 74b of the uppermost cell stack 1 in the left-hand cell stack assembly 61 are each connected to a separate power line 79. These power lines 79 are each protected by a separate power line protection tube 79a and extend outside the hot module HM.
メインバスバー78aは、ホットモジュールHMの冷態時と発電動作時の温度差による鉛直方向の伸縮に伴う不具合を防ぐため、伸縮吸収部78a1を有する金属板で構成されている。伸縮吸収部78a1は、本実施形態の例では、図8等に示すように左右方向視でU字状の湾曲部としているが、V字状の折曲部等としても良い。伸縮吸収部78a1を有するメインバスバー78aを採用することで、熱応力が緩和され、安定した発電動作が実現可能であるとともに、各段のセルスタック1に過剰な力が作用するのを防止することもできる。 The main busbar 78a is made of a metal plate with an expansion/contraction absorption section 78a1 to prevent malfunctions caused by vertical expansion and contraction due to the temperature difference between the cold state and power generation operation of the hot module HM. In this embodiment, the expansion/contraction absorption section 78a1 is a U-shaped curved section when viewed from the left or right, as shown in Figure 8, but it may also be a V-shaped bent section or the like. By employing a main busbar 78a with an expansion/contraction absorption section 78a1, thermal stress is mitigated, enabling stable power generation operation, and preventing excessive force from acting on each stage of the cell stack 1.
サブバスバー78bは、ホットモジュールHMの冷態時と発電動作時の温度差による水平方向の伸縮に伴う不具合を防ぐため、伸縮吸収部78b1を有する金属板で構成されている。伸縮吸収部78b1は、本実施形態の例では、図5等に示すように上下方向視でU字状の湾曲部としているが、V字状の折曲部等としても良い。伸縮吸収部78b1を有するサブバスバー78bを採用することで、熱応力が緩和され、安定した発電動作が実現可能であるとともに、最上段のセルスタック1に過剰な力が作用するのを防止することもできる。 The sub-busbar 78b is made of a metal plate with an expansion/contraction absorption section 78b1 to prevent malfunctions caused by horizontal expansion and contraction due to the temperature difference between the cold state and power generation operation of the hot module HM. In this embodiment, the expansion/contraction absorption section 78b1 is a U-shaped curved section when viewed from above, as shown in Figure 5, but it may also be a V-shaped bent section or the like. By employing a sub-busbar 78b with an expansion/contraction absorption section 78b1, thermal stress is mitigated, enabling stable power generation operation, and preventing excessive force from acting on the uppermost cell stack 1.
<蒸発器>
次に、蒸発器4の構成等について、より詳細に説明する。図21は、蒸発器4として機能するプレート組立体80の構成図であり、左側に左側面図を示し、中央に正面図を示し、右側に右側面図を示している。
<Evaporator>
Next, the configuration of the evaporator 4 will be explained in more detail. Figure 21 is a diagram of the configuration of the plate assembly 80 that functions as the evaporator 4, with the left side view shown on the left, the front view in the center, and the right side view on the right.
プレート組立体80は、前後に対向配置された第1エンドプレート82aと第2エンドプレート82bの間に、複数の伝熱プレート81を前後方向へ積層し、各エンドプレート82a,82bおよび各伝熱プレート81を接合して一体化したものである。後述するように、これらの伝熱プレート81それぞれには、蒸発器4における低温流体(原燃料ガスGaと改質水Wa)が流れる低温流体流路、および蒸発器4における高温流体(燃焼ガスGg)が流れる高温流体流路の一方が形成される。 The plate assembly 80 is formed by stacking multiple heat transfer plates 81 in the front-to-back direction between the first end plate 82a and the second end plate 82b, which are arranged facing each other front and rear, and then joining each end plate 82a, 82b and each heat transfer plate 81 together to form a single unit. As will be described later, each of these heat transfer plates 81 has either a low-temperature fluid channel through which the low-temperature fluid (raw fuel gas Ga and reformed water Wa) in the evaporator 4 flows, or a high-temperature fluid channel through which the high-temperature fluid (combustion gas Gg) in the evaporator 4 flows.
図22は、伝熱プレート81の斜視図である。本図に示すように伝熱プレート81は、上下方向を長手方向とする略矩形状の平板部81a(伝熱面部)と、平板部81aの全周の縁から後方へ略均一な高さに張り出した枠部81bを有する。平板部81aの表裏の各平面は、鉛直方向と平行な伝熱面として機能する。 Figure 22 is a perspective view of the heat transfer plate 81. As shown in this figure, the heat transfer plate 81 has a substantially rectangular flat plate portion 81a (heat transfer surface portion) with the vertical direction as its longitudinal direction, and a frame portion 81b that extends from the entire perimeter edge of the flat plate portion 81a to the rear at a substantially uniform height. Each of the front and back surfaces of the flat plate portion 81a functions as a heat transfer surface parallel to the vertical direction.
平板部81aの右上寄りの位置には、第1ヘッダ部形成孔83a1と第5ヘッダ部形成孔83e1が設けられている。更に、平板部81aの左下寄りの位置には第2ヘッダ部形成孔83b1が設けられ、平板部81aの右下寄りの位置には第3ヘッダ部形成孔83c1が設けられ、平板部81aの左上寄りの位置には第4ヘッダ部形成孔83d1が設けられている。 A first header section forming hole 83a1 and a fifth header section forming hole 83e1 are provided in the upper right position of the flat plate section 81a. Furthermore, a second header section forming hole 83b1 is provided in the lower left position of the flat plate section 81a, a third header section forming hole 83c1 is provided in the lower right position of the flat plate section 81a, and a fourth header section forming hole 83d1 is provided in the upper left position of the flat plate section 81a.
各伝熱プレート81には、枠部81bの内側に所定の各部材が配置されて、図23の左側に示す低温流体流路、および、図23の右側に示す高温流体流路の一方が形成される。なお図23の上側の枠内には、水分配プレート86近傍の拡大図が示されている。 Each heat transfer plate 81 has predetermined components arranged inside the frame portion 81b, forming either the low-temperature fluid flow path shown on the left side of Figure 23 or the high-temperature fluid flow path shown on the right side of Figure 23. Note that the upper frame of Figure 23 shows an enlarged view of the vicinity of the water distribution plate 86.
低温流体流路を構成する部品としては、蛇行流路プレート85、水分配プレート86(図23に示す破線Q1より外側の部分)、第3補助プレート87c(図23に示す破線Q3より下側の部分)、および第4補助プレート87d(図23に示す破線Q2より上側であって水分配プレート86を除く部分)、が用いられる。 The components that make up the low-temperature fluid flow path are a meandering flow path plate 85, a water distribution plate 86 (the part outside the dashed line Q1 shown in Figure 23), a third auxiliary plate 87c (the part below the dashed line Q3 shown in Figure 23), and a fourth auxiliary plate 87d (the part above the dashed line Q2 shown in Figure 23, excluding the water distribution plate 86).
伝熱プレート81の中央領域に広く配置された蛇行流路プレート85には、上側から下側に向けて蛇行して延びるように蛇行流路85aが形成されている。蛇行流路85aは、例えばレーザー加工による抜き打ちにより形成可能であり、このようにして蛇行流路プレート85を製作すれば、少ない工数で量産が可能であり、加工コストも安価に抑えることが可能である。蛇行流路85aは概ね、左端近傍および右端近傍の一方から他方へ流体が流下するように斜め下向きに傾斜する傾斜流路部Ch1、および、傾斜流路部Ch1の端部において流体の流れを反転させる折り返し流路部Ch2からなる単位流路Chの複数段が、上下方向に連続的に形成されてなる。 A meandering channel plate 85, widely positioned in the central region of the heat transfer plate 81, has meandering channels 85a formed therein, extending in a meandering manner from top to bottom. The meandering channels 85a can be formed, for example, by laser cutting. By manufacturing the meandering channel plate 85 in this manner, mass production is possible with fewer man-hours, and processing costs can be kept low. The meandering channels 85a generally consist of multiple stages of unit channels Ch, each consisting of an inclined channel section Ch1 that slopes diagonally downwards so that fluid flows from one end near the left end and the other near the right end, and a reversing channel section Ch2 that reverses the fluid flow at the end of the inclined channel section Ch1. These stages are continuously formed in the vertical direction.
水分配プレート86は、第1ヘッダ部形成穴83a1に対応する位置に配置されるプレート部材であり、図23の上側の枠内に示すように、第1ヘッダ部形成穴83a1と連通する主孔86aと、主孔86aを囲む周縁部86bとからなる。また、周縁部86bには、主孔86aの内壁から外側に向けて貫通する副孔86cが形成されている。副孔86cは、主孔86aから下方に延びて蛇行流路の上端部85a1に繋がっている。 The water distribution plate 86 is a plate member positioned corresponding to the first header section forming hole 83a1. As shown in the upper frame of Figure 23, it consists of a main hole 86a communicating with the first header section forming hole 83a1 and a peripheral edge 86b surrounding the main hole 86a. Furthermore, a sub-hole 86c is formed in the peripheral edge 86b, penetrating from the inner wall of the main hole 86a outwards. The sub-hole 86c extends downward from the main hole 86a and connects to the upper end 85a1 of the meandering flow path.
第3補助プレート87cは、蛇行流路プレート85の下側に配置されており、第3ヘッダ部形成穴83c1に対応する位置に第3流通穴89cを有し、第2ヘッダ部形成穴83b1に対応する位置に第2ヘッダ部対応穴83b2を有する。第2ヘッダ部対応穴83b2は、蛇行流路85aの下端に繋がっている。 The third auxiliary plate 87c is positioned below the meandering channel plate 85 and has a third flow hole 89c at a position corresponding to the third header section forming hole 83c1, and a second header section corresponding hole 83b2 at a position corresponding to the second header section forming hole 83b1. The second header section corresponding hole 83b2 is connected to the lower end of the meandering channel 85a.
第4補助プレート87dは、蛇行流路プレート85の上側に配置されており、第4ヘッダ部形成穴83d1に対応する位置に第4流通穴89dを有し、第5ヘッダ部形成穴83e1に対応する位置に蛇行流路の上端部85a1を有する。蛇行流路の上端部85a1は、蛇行流路プレート85における蛇行流路85aの上端に繋がっている。 The fourth auxiliary plate 87d is positioned above the meandering channel plate 85 and has a fourth flow hole 89d at a position corresponding to the fourth header section forming hole 83d1, and an upper end portion 85a1 of the meandering channel at a position corresponding to the fifth header section forming hole 83e1. The upper end portion 85a1 of the meandering channel is connected to the upper end of the meandering channel 85a in the meandering channel plate 85.
高温流体流路を構成する部品としては、伝熱フィン88、第1補助プレート87a、および第2補助プレート87bが用いられる。伝熱フィン88は、本実施形態の例では上下方向に延びる多数の流路が形成されたコルゲートフィンが採用されており、伝熱プレート81の中央領域に広く配置されている。 The components constituting the high-temperature fluid flow path include a heat transfer fin 88, a first auxiliary plate 87a, and a second auxiliary plate 87b. In this embodiment, the heat transfer fin 88 is a corrugated fin with numerous flow paths extending vertically, and is widely distributed in the central region of the heat transfer plate 81.
第1補助プレート87aは、伝熱フィン88の上側に配置されており、第1ヘッダ部形成穴83a1に対応する位置に第1流通穴89aを有し、第5ヘッダ部形成穴83e1に対応する位置に第5流通穴89eを有し、第4ヘッダ部形成穴83d1に対応する位置に第4ヘッダ部対応穴83d2を有する。第4ヘッダ部対応穴83d2は、伝熱フィン88の上端全体に繋がっている。 The first auxiliary plate 87a is positioned above the heat transfer fins 88 and has a first flow hole 89a at a position corresponding to the first header section forming hole 83a1, a fifth flow hole 89e at a position corresponding to the fifth header section forming hole 83e1, and a fourth header section corresponding hole 83d2 at a position corresponding to the fourth header section forming hole 83d1. The fourth header section corresponding hole 83d2 is connected to the entire upper end of the heat transfer fins 88.
第2補助プレート87bは、伝熱フィン88の下側に配置されており、第2ヘッダ部形成穴83b1に対応する位置に第2流通穴89bを有し、第3ヘッダ部形成穴83c1に対応する位置に第3ヘッダ部対応穴83c2を有する。第3ヘッダ部対応穴83c2は、伝熱フィン88の下端全体に繋がっている。 The second auxiliary plate 87b is positioned below the heat transfer fin 88 and has a second flow hole 89b at a position corresponding to the second header section forming hole 83b1, and a third header section corresponding hole 83c2 at a position corresponding to the third header section forming hole 83c1. The third header section corresponding hole 83c2 is connected to the entire lower end of the heat transfer fin 88.
プレート組立体80においては、各エンドプレート82a,82bの間に、低温流体流路が形成された伝熱プレート81と高温流体流路が形成された伝熱プレート81とが交互に積層されて一体化されている。このように形成されたプレート組立体80においては、伝熱プレート81(平板部81a)の一方の伝熱面側に低温流体流路が形成され、他方の伝熱面側に高温流体流路が形成されていると見ることもできる。 In the plate assembly 80, heat transfer plates 81 with low-temperature fluid channels and heat transfer plates 81 with high-temperature fluid channels are alternately stacked and integrated between each end plate 82a and 82b. In the plate assembly 80 formed in this way, it can also be seen that low-temperature fluid channels are formed on one heat transfer surface of the heat transfer plate 81 (flat plate portion 81a), and high-temperature fluid channels are formed on the other heat transfer surface.
また図21に示すように、各エンドプレート82a,82bは、前方視で伝熱プレート81と外縁が概ね一致する略板状に形成されており、前側に設けた第1エンドプレート82aには、第1および第5ヘッダ部形成孔83a1,83e1に対応する流体ポートが設けられ、後側に設けた第2エンドプレート82bには、第2、第3および第4の各ヘッダ部形成孔83b1,83c1,83d1に対応する流体ポートが設けられている。 Furthermore, as shown in Figure 21, each end plate 82a and 82b is formed in a substantially plate shape, with its outer edge roughly coinciding with that of the heat transfer plate 81 when viewed from the front. The first end plate 82a, located at the front, is provided with fluid ports corresponding to the first and fifth header section forming holes 83a1 and 83e1, while the second end plate 82b, located at the rear, is provided with fluid ports corresponding to the second, third, and fourth header section forming holes 83b1, 83c1, and 83d1, respectively.
これによりプレート組立体80は、第1ヘッダ部形成穴83a1、第1流通穴89a、および主孔86aが前後方向に繋がって形成された第1ヘッダ部83aを有し、第1ヘッダ部83aは第1エンドプレート82aにおいて前方に開口している。またプレート組立体80は、第2ヘッダ部形成穴83b1、第2ヘッダ部対応穴83b2、および第2流通穴89bが前後方向に繋がって形成された第2ヘッダ部83bを有し、第2ヘッダ部83bは第2エンドプレート82bにおいて後方に開口している。 As a result, the plate assembly 80 has a first header portion 83a formed by connecting a first header portion forming hole 83a1, a first flow hole 89a, and a main hole 86a in the front-to-back direction, and the first header portion 83a opens forward at the first end plate 82a. Furthermore, the plate assembly 80 has a second header portion 83b formed by connecting a second header portion forming hole 83b1, a second header portion corresponding hole 83b2, and a second flow hole 89b in the front-to-back direction, and the second header portion 83b opens rearward at the second end plate 82b.
またプレート組立体80は、第3ヘッダ部形成穴83c1、第3ヘッダ部対応穴83c2、および第3流通穴89cが前後方向に繋がって形成された第3ヘッダ部83cを有し、第3ヘッダ部83cは第2エンドプレート82bにおいて後方に開口している。またプレート組立体80は、第4ヘッダ部形成穴83d1、第4ヘッダ部対応穴83d2、および第4流通穴89dが前後方向に繋がって形成された第4ヘッダ部83dを有し、第4ヘッダ部83dは第2エンドプレート82bにおいて後方に開口している。 Furthermore, the plate assembly 80 has a third header section 83c formed by connecting a third header section forming hole 83c1, a third header section corresponding hole 83c2, and a third flow hole 89c in the front-rear direction, and the third header section 83c opens to the rear at the second end plate 82b. The plate assembly 80 also has a fourth header section 83d formed by connecting a fourth header section forming hole 83d1, a fourth header section corresponding hole 83d2, and a fourth flow hole 89d in the front-rear direction, and the fourth header section 83d opens to the rear at the second end plate 82b.
またプレート組立体80は、第5ヘッダ部形成穴83e1、第5流通穴89e、および蛇行流路の上端部85a1が前後方向に繋がって形成された第5ヘッダ部83eを有し、第5ヘッダ部83eは第1エンドプレート82aにおいて前方に開口している。以上のようにして、第1ヘッダ部83aと第5ヘッダ部83eはプレート組立体80の上端部右寄りの箇所に形成され、第2ヘッダ部83bはプレート組立体80の下端部左寄りの箇所に形成され、第3ヘッダ部83cはプレート組立体80の下端部右寄りの箇所に形成され、第4ヘッダ部83dはプレート組立体80の上端部左寄りの箇所に形成されている。 Furthermore, the plate assembly 80 has a fifth header section 83e formed by connecting the fifth header section forming hole 83e1, the fifth flow hole 89e, and the upper end portion 85a1 of the meandering flow path in the front-rear direction. The fifth header section 83e opens forward at the first end plate 82a. As described above, the first header section 83a and the fifth header section 83e are formed at the upper right end of the plate assembly 80, the second header section 83b is formed at the lower left end of the plate assembly 80, the third header section 83c is formed at the lower right end of the plate assembly 80, and the fourth header section 83d is formed at the upper left end of the plate assembly 80.
なお、各ヘッダ部形成穴83a1~83e1、各流通穴89a~89e、および各ヘッダ部対応穴83b2~83d2は、例えばレーザー加工により形成可能である。また、伝熱プレート81の積層において、流体の分配/収集が不要であるヘッダ部形成穴に対応する位置(つまり、低温流体流路側での第3ヘッダ部形成穴83c1と第4ヘッダ部形成穴83d1に対応する位置、および、高温流体流路側での第1ヘッダ部形成穴83a1と第2ヘッダ部形成穴83b1と第5ヘッダ部形成穴83e1に対応する位置)には、補助プレート87a~87dが挟持されている。 Furthermore, the header section forming holes 83a1 to 83e1, the flow holes 89a to 89e, and the corresponding header section holes 83b2 to 83d2 can be formed, for example, by laser processing. In addition, during the stacking of the heat transfer plates 81, auxiliary plates 87a to 87d are sandwiched at positions corresponding to header section forming holes where fluid distribution/collection is unnecessary (i.e., positions corresponding to the third header section forming hole 83c1 and the fourth header section forming hole 83d1 on the low-temperature fluid flow path side, and positions corresponding to the first header section forming hole 83a1, the second header section forming hole 83b1, and the fifth header section forming hole 83e1 on the high-temperature fluid flow path side).
当該補助プレートは、ヘッダ部形成穴と流通穴の縁部をロウ付け等で接合して連結することにより、その流体流路に不要な流体が進入しないようにし、適切なヘッダ部を簡単に形成することができる。このような構成を採用すれば、伝熱プレート81を1種類のプレス金型で製作することができるため、蒸発器4の量産に適する。また本実施形態では、蛇行流路プレート85、水分配プレート86、第3補助プレート87cおよび第4補助プレート87dの各部品は、1枚の板材に対するレーザー加工等による抜き打ちによって一体的に製作される。このように当該各部品を一体的に製作することにより、部品点数を抑制して蒸発器4の組立工数を削減することができる。 The auxiliary plate is connected by joining the header section forming hole and the flow hole edge by brazing or the like, preventing unwanted fluid from entering the fluid flow path and allowing for the easy formation of an appropriate header section. This configuration allows the heat transfer plate 81 to be manufactured using a single type of press die, making it suitable for mass production of the evaporator 4. Furthermore, in this embodiment, the meandering flow path plate 85, water distribution plate 86, third auxiliary plate 87c, and fourth auxiliary plate 87d are manufactured integrally by laser cutting or the like from a single sheet of material. By manufacturing these components integrally in this way, the number of parts can be reduced, thereby decreasing the assembly time of the evaporator 4.
第1ヘッダ部83aには改質水Waが供給され、第5ヘッダ部83eには原燃料ガスGaが供給される。第1ヘッダ部83aに供給された改質水Waは、各低温流体流路の水分配プレート86に均等に分配され、主孔86aおよび副孔86cを通じて蛇行流路85aの最上段ステージに流下する。この改質水Waは蛇行流路85aを進みながら加熱され、水蒸気となって第2ヘッダ部83bに到達する。 Reformed water Wa is supplied to the first header section 83a, and raw fuel gas Ga is supplied to the fifth header section 83e. The reformed water Wa supplied to the first header section 83a is evenly distributed to the water distribution plate 86 in each low-temperature fluid channel, and flows down to the uppermost stage of the meandering channel 85a through the main holes 86a and sub-holes 86c. As this reformed water Wa travels through the meandering channel 85a, it is heated and becomes steam, reaching the second header section 83b.
なお水分配プレート86における副孔86cは、主孔86aから上方に延びた後、折り返し流路を経て蛇行流路の上端部85a1に繋がるように構成してもよい。主孔86aに供給された改質水Waを上向きに吐出させることにより、副孔86cから改質水Waを押し出す際に比較的高い流動抵抗が生じる。そのため、図23のように改質水Waを下向きに吐出させる構成に比べて、より均等な水分配が可能になる。 Furthermore, the sub-holes 86c in the water distribution plate 86 may be configured to extend upward from the main hole 86a, then pass through a return channel and connect to the upper end 85a1 of the meandering channel. By discharging the modified water Wa supplied to the main hole 86a upward, relatively high flow resistance is generated when pushing the modified water Wa out through the sub-holes 86c. Therefore, compared to the configuration in Figure 23 where the modified water Wa is discharged downward, a more uniform water distribution becomes possible.
第5ヘッダ部83eに供給された原燃料ガスGaも、各低温流体流路に均等に分配され、改質水Waと同時に蛇行流路85aを進みながら加熱されて第2ヘッダ部83bに到達する。このようにプレート組立体80は、原燃料ガスGa中で水蒸発を行わせる構成となっており、第2ヘッダ部83bにおいて原燃料ガスGaと水蒸気の混合ガスGbが過熱状態で連続的に得られる。この混合ガスGbは、そのまま改質器2に供給することができる。 The raw fuel gas Ga supplied to the fifth header section 83e is also evenly distributed to each low-temperature fluid flow path and, simultaneously with the reformed water Wa, is heated as it travels through the meandering flow path 85a before reaching the second header section 83b. In this way, the plate assembly 80 is configured to allow water evaporation within the raw fuel gas Ga, and a mixed gas Gb of raw fuel gas Ga and water vapor is continuously obtained in a superheated state at the second header section 83b. This mixed gas Gb can then be supplied directly to the reformer 2.
一方、第3ヘッダ部83cには、熱源ガスとして燃焼ガスGgが供給される。第3ヘッダ部83cに供給された燃焼ガスGgは、各高温流体流路に均等に分配され、伝熱フィン88における流路のそれぞれを上昇流で流通し、第4ヘッダ部83dで収集されて管路Lg1へ排出される。 Meanwhile, combustion gas Gg is supplied to the third header section 83c as a heat source gas. The combustion gas Gg supplied to the third header section 83c is evenly distributed to each high-temperature fluid flow path, flows upward through each of the flow paths in the heat transfer fins 88, is collected in the fourth header section 83d, and discharged into the pipeline Lg1.
このとき各低温流体流路の蛇行経路85aは、隣り合う高温流体流路の伝熱フィン88と伝熱プレート81を介して前後方向に対向しているため、燃焼ガスGgの熱を用いて改質水Waおよび原燃料ガスGaが効率良く加熱される。 At this time, the meandering paths 85a of each low-temperature fluid channel face each other in the front-rear direction via the heat transfer fins 88 and heat transfer plates 81 of the adjacent high-temperature fluid channel. Therefore, the reformed water Wa and raw fuel gas Ga are efficiently heated using the heat of the combustion gas Gg.
また、改質水Waおよび原燃料ガスGaは蛇行経路85aを下方へ流れ、燃焼ガスGgは伝熱フィン88を上方へ流れることから、これらはカウンターフローで熱交換される。これによりプレート組立体80の下部領域では、第3ヘッダ部83cから導入直後の高温熱源ガス(燃焼ガスGg)で水蒸気(改質水Wa)が加熱されるので、第2ヘッダ部83bから過熱蒸気を取り出すことができる。この過熱蒸気は、改質器2での炭化水素燃料の水蒸気改質反応において有用である。 Furthermore, since the reformed water Wa and raw fuel gas Ga flow downward through the meandering path 85a, and the combustion gas Gg flows upward through the heat transfer fins 88, heat exchange occurs in a counterflow manner. As a result, in the lower region of the plate assembly 80, the steam (reformed water Wa) is heated by the high-temperature heat source gas (combustion gas Gg) immediately after introduction from the third header section 83c, allowing superheated steam to be extracted from the second header section 83b. This superheated steam is useful in the steam reforming reaction of hydrocarbon fuels in the reformer 2.
<本願発明の効果およびその他の変形例>
以上に説明したとおり、本実施形態に係る燃料電池システム100のバーナ3は、外筒21と内筒22の間に触媒充填層23を有する二重筒構造の反応容器2aに適用されるバーナ3であって、炭化水素含有ガスおよび/またはアノードオフガスGdが流通する第1ガス筒31と、第1ガス筒31を包囲し酸化剤含有ガスおよび/またはカソードオフガスGeが流通する第2ガス筒32と、基端部が第1ガス筒31と接続されると共に、先端部がガス流れ(各バーナ用ガスGx,Gyおよび燃焼ガスGgの流れ)の下流側に向かって拡開する円錐台状の保炎器33と、基端部が第2ガス筒32と連結され、表面が燃焼熱の放射部となる熱放射筒Zaと、を備える。そして熱放射筒Zaは、反応容器2aの内筒22に表面どうしが離間するように挿通されている。
<Effects of the present invention and other variations>
As described above, the burner 3 of the fuel cell system 100 according to this embodiment is a burner 3 applied to a double-cylinder reaction vessel 2a having a catalyst packed bed 23 between an outer cylinder 21 and an inner cylinder 22, and comprises a first gas cylinder 31 through which hydrocarbon-containing gas and/or anode-off gas Gd flows, a second gas cylinder 32 surrounding the first gas cylinder 31 through which oxidant-containing gas and/or cathode-off gas Ge flows, a frustoconical flame holder 33 whose base end is connected to the first gas cylinder 31 and whose tip expands toward the downstream side of the gas flow (flow of each burner gas Gx, Gy and combustion gas Gg), and a heat radiating cylinder Za whose base end is connected to the second gas cylinder 32 and whose surface serves as a heat radiating surface for combustion. The heat radiating cylinder Za is inserted into the inner cylinder 22 of the reaction vessel 2a such that their surfaces are spaced apart.
このように内筒22と熱放射筒Zaは、互いの表面が離間し、所定の隙間が生じている配置構造である。つまり、水蒸気改質反応のために触媒充填層23に内筒22側から熱エネルギーを与える場合、熱伝達は、熱放射筒Zaからの放射伝熱によって行われ、熱伝導を伴わない。そのため、触媒を収容している反応容器Zaは、熱応力による損傷や破損を回避しつつ、長期間使用することができる。 Thus, the inner cylinder 22 and the heat radiation cylinder Za are arranged in a configuration where their surfaces are separated, creating a predetermined gap. In other words, when thermal energy is supplied to the catalyst packed bed 23 from the inner cylinder 22 side for the steam reforming reaction, heat transfer occurs through radiant heat transfer from the heat radiation cylinder Za, without heat conduction. Therefore, the reaction vessel Za containing the catalyst can be used for a long period of time while avoiding damage or breakage due to thermal stress.
一般的に予混合燃焼式のバーナは、ガスの混合状態によってはガス漏れ時に火災が生じやすく、またガス供給側に逆火したり、燃焼室内で爆発したりする危険性もある。この点、本実施形態のバーナ3では、拡散燃焼式(先混合式)のバーナ構造をベースにした構成としているので、これらの危険性がなく、本質的に安全である。 Generally, premixed combustion burners are prone to fire in the event of a gas leak depending on the gas mixture, and also pose risks of backfire on the gas supply side or explosion within the combustion chamber. In contrast, burner 3 of this embodiment is based on a diffusion combustion (premixed) burner structure, thus eliminating these risks and making it inherently safe.
またバーナ3において、第2ガス筒32と熱放射筒Zaとは、1本の管体により形成されている。このように第2ガス筒32と熱放射筒Zaを1本の管体で形成することにより、両部材の芯合わせや接合等の作業が不要となり、バーナ3を低コストで製作することが可能となっている。 Furthermore, in burner 3, the second gas cylinder 32 and the heat radiation cylinder Za are formed from a single tube. By forming the second gas cylinder 32 and the heat radiation cylinder Za from a single tube in this way, the need for alignment and joining of the two components is eliminated, making it possible to manufacture burner 3 at a low cost.
またバーナ3において、保炎器33は、拡開方向に間隔をおいた多列の貫通孔33aを有し、保炎器33の外径と第2ガス筒32の内径は、略同径となっている。このように、多列の貫通孔33aを有する保炎器33の外径は、第2ガス筒32の内径と略同径とされているため、第2ガス筒32の内径の径方向断面の全体に亘って、安定した火炎を形成することができる。 Furthermore, in the burner 3, the flame holder 33 has multiple rows of through holes 33a spaced apart in the expansion direction, and the outer diameter of the flame holder 33 and the inner diameter of the second gas cylinder 32 are approximately the same. Thus, because the outer diameter of the flame holder 33, which has multiple rows of through holes 33a, is approximately the same as the inner diameter of the second gas cylinder 32, a stable flame can be formed across the entire radial cross-section of the inner diameter of the second gas cylinder 32.
またバーナ3は、第1電極ロッド41および第2電極ロッド42からなる電極対40xを備え、電極対40xの先端部が保炎器33の内部に配置されている。更にバーナ3では、ガス点火時に、第1電極ロッド41をスパークロッドとして機能させると共に、第2電極ロッド42をアースロッドとして機能させ、火炎検知時に、第1電極ロッド41をフレームロッドとして機能させると共に、第2電極ロッド42をアースロッドとして機能させる。 Furthermore, the burner 3 is equipped with an electrode pair 40x consisting of a first electrode rod 41 and a second electrode rod 42, with the tips of the electrode pair 40x positioned inside the flame holder 33. In addition, during gas ignition, the burner 3 makes the first electrode rod 41 function as a spark rod and the second electrode rod 42 function as a ground rod. During flame detection, the first electrode rod 41 functions as a flame rod and the second electrode rod 42 functions as a ground rod.
このようにバーナ3について、第1電極ロッド41および第2電極ロット42からなる電極対40xを用いて、ガス点火機能と火炎検知機能を切り替え可能に構成することにより、確実かつ安全な燃焼動作を行うことができる。なお、スパークロッドまたはフレームロッドとして機能する第1電極ロッド41は、第1ガス筒31と絶縁されている一方、アースロッドとして機能する第2電極ロッド42は、第1ガス筒31と導通している。ガス点火時は、電極間に点火トランスからの高電流を流して火花を発生させる。火炎検知時は、電極間に電圧を印加したときの火炎の導電現象を利用して火炎の有無を検知する。 In this way, by configuring the burner 3 to allow switching between gas ignition and flame detection functions using an electrode pair 40x consisting of a first electrode rod 41 and a second electrode rod 42, reliable and safe combustion operation can be achieved. The first electrode rod 41, which functions as a spark rod or flame rod, is insulated from the first gas cylinder 31, while the second electrode rod 42, which functions as an earth rod, is electrically connected to the first gas cylinder 31. During gas ignition, a high current from the ignition transformer is passed between the electrodes to generate a spark. During flame detection, the presence or absence of a flame is detected by utilizing the conductivity phenomenon of the flame when a voltage is applied between the electrodes.
なお、本実施形態のシステムは単段式の燃料電池システムであるが、本発明は多段式の燃料電池システムにも適用可能である。一例として2段式の燃料電池システムとする場合は、前段側のセルスタックと後段側のセルスタックが設けられ、前段側のセルスタックから排出されるアノードオフガス(未反応の燃料成分を含む)を用いて、後段側のセルスタックが発電するよう構成される。 Although the system in this embodiment is a single-stage fuel cell system, the present invention is also applicable to multi-stage fuel cell systems. For example, in a two-stage fuel cell system, a front-stage cell stack and a rear-stage cell stack are provided, and the rear-stage cell stack is configured to generate electricity using the anode off-gas (containing unreacted fuel components) discharged from the front-stage cell stack.
また本発明のバーナ3を備える改質ガス発生装置RGは、改質型の燃料電池システム以外に、COシフト化反応装置等と組み合わせて水素製造システムとしての利用も可能である。水素製造システムで製造した水素は、例えば燃料電池自動車(FCV)で使用されるほか、純水素型の燃料電池システムで使用される。 Furthermore, the reformed gas generator RG equipped with the burner 3 of the present invention can be used not only in reformed fuel cell systems but also in combination with CO shift reactors and the like as a hydrogen production system. The hydrogen produced in the hydrogen production system can be used, for example, in fuel cell vehicles (FCVs) and in pure hydrogen fuel cell systems.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 Although embodiments of the present invention have been described above, the configuration of the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. That is, the above embodiments should be considered illustrative and not restrictive in all respects. The technical scope of the present invention is indicated not by the above description of embodiments, but by the claims, and should be understood to include all modifications that fall within the meaning and scope of equivalence to the claims.
本発明は、固体酸化物形の燃料電池システムに利用可能である。 This invention is applicable to solid oxide fuel cell systems.
1 セルスタック
2 改質器
2a 反応容器
3 バーナ
4 蒸発器
5 空気予熱器
6 アノードオフガス冷却器
7 アノードオフガス凝縮器
8 CO酸化器
9 凝縮水回収タンク
10 第1原燃料ブロワ
11 第1空気ブロワ
12 水ポンプ
13 第2原燃料ブロワ
14 第2空気ブロワ
15 パワーコンディショナ
16 システムコントローラ
21 外筒
21a 取入口
21b 取出口
21c 伸縮吸収部
22 内筒
23 触媒充填層
24 基端側蓋板
25 末端側蓋板
31 第1ガス筒
32 第2ガス筒
33 保炎器
40 点火/火炎検知回路
40a ガス点火部
40b 電流検知部
40c1 第1スイッチ
40c2 第2スイッチ
40x 電極対
51 第1支柱
52 第2支柱
53 板状断熱材
61 セルスタック集合体
62 オープンラック
62a 単位ラック
63 ステージ盤
63a ステージ盤
64 柱部
64a 柱部
71 支持板
72 フランジ付ガスポート
72a アノード燃料流入ポート
72b カソード空気流入ポート
72c アノードオフガス流出ポート
72d カソードオフガス流出ポート
72x フランジ部
74a 第1電力端子
74a1 第1電力端子の端部
74b 第2電力端子
74b1 第2電力端子の端部
75 積層部
76a 第1端板
76b 第2端板
78a メインバスバー
78a1 伸縮吸収部
78b サブバスバー
78b1 伸縮吸収部
79 電力線
79a 電力線保護管
80 プレート組立体
81 伝熱プレート
81a 平板部
81b 枠部
82a 第1エンドプレート
82b 第2エンドプレート
83a 第1ヘッダ部
83b 第2ヘッダ部
83c 第3ヘッダ部
83d 第4ヘッダ部
83e 第5ヘッダ部
83a1 第1ヘッダ部形成孔
83b1 第2ヘッダ部形成孔
83c1 第3ヘッダ部形成孔
83d1 第4ヘッダ部形成孔
83e1 第5ヘッダ部形成孔
83b2 第2ヘッダ部対応穴
83c2 第3ヘッダ部対応穴
83d2 第4ヘッダ部対応穴
85 蛇行流路プレート
85a 蛇行流路
86 水分配プレート
86a 主孔
86b 周縁部
86c 副孔
87a 第1補助プレート
87b 第2補助プレート
87c 第3補助プレート
87d 第4補助プレート
88 伝熱フィン
89a 第1流通穴
89b 第2流通穴
89c 第3流通穴
89d 第4流通穴
89e 第5流通穴
100 燃料電池システム
Aa~Ac 空気
B1 第1ベローズ形伸縮管継手
B2 第2ベローズ形伸縮管継手
B3 第3ベローズ形伸縮管継手
B4 第4ベローズ形伸縮管継手
BP 枝管
Bp1 ベローズ形伸縮管継手
CV 湾曲部
Ch 単位流路
Ch1 傾斜流路部
Ch2 折り返し流路部
D1 ガス排出口
E1、E2 燃料取入口
E3、E4 空気取入口
Fg フランジ
Ga 原燃料ガス
Gb 混合ガス
Gc 改質ガス
Gd アノードオフガス
Ge カソードオフガス
Gf 原燃料ガス
Gg 燃焼ガス
La 原燃料ライン
Lb 混合ガスライン
Lc アノード燃料ライン
Ld アノードオフガスライン
Ld1 管路
Le カソード空気ライン
Le1 管路
Le2 バイパス経路
Lf カソードオフガスライン
Lf1 管路
Lg 燃焼ガスライン
Lg1 管路
Lh バーナ冷却用空気ライン
Li 改質水ライン
Lj 起動用空気ライン
Lw 凝縮水回収ライン
Ma 第1分配マニホールド
Mb 第2分配マニホールド
Mc 第1収集マニホールド
Md 第2収集マニホールド
RG 改質ガス発生装置
Sa 気水分離部
Sb 水位水検知器
Sc 排水弁
Wa 改質水
Wb 凝縮水
X1 第1ボックス
X1a 第1台座
X2 第2ボックス
X2a 第2台座
Za 熱放射筒
Zb 燃焼ガス管
1 Cell stack 2 Reformer 2a Reaction vessel 3 Burner 4 Evaporator 5 Air preheater 6 Anode off gas cooler 7 Anode off gas condenser 8 CO oxidizer 9 Condensate recovery tank 10 First fuel blower 11 First air blower 12 Water pump 13 Second fuel blower 14 Second air blower 15 Power conditioner 16 System controller 21 Outer cylinder 21a Inlet 21b Outlet 21c Expansion absorption section 22 Inner cylinder 23 Catalyst packed bed 24 Base end cover plate 25 End end cover plate 31 First gas cylinder 32 Second gas cylinder 33 Flame holder 40 Ignition/flame detection circuit 40a Gas ignition section 40b Current detection section 40c1 First switch 40c2 Second switch 40x Electrode pair 51 First support column 52 Second support column 53 Plate-shaped insulation material 61 Cell stack assembly 62 Open rack 62a Unit rack 63 Stage panel 63a Stage panel 64 Column section 64a Column section 71 Support plate 72 Flanged gas port 72a Anode fuel inlet port 72b Cathode air inlet port 72c Anode off-gas outlet port 72d Cathode off-gas outlet port 72x Flange section 74a First power terminal 74a1 End of first power terminal 74b Second power terminal 74b1 End of second power terminal 75 Laminated section 76a First end plate 76b Second end plate 78a Main busbar 78a1 Expansion absorption section 78b Sub-busbar 78b1 Expansion absorption section 79 Power line 79a Power line protection tube 80 Plate assembly 81 Heat transfer plate 81a Flat plate section 81b Frame section 82a First end plate 82b Second end plate 83a First header section 83b Second header section 83c Third header section 83d Fourth header section 83e Fifth header section 83a1 Hole for forming the first header section 83b1 Hole for forming the second header section 83c1 Hole for forming the third header section 83d1 Hole for forming the fourth header section 83e1 Hole for forming the fifth header section 83b2 Hole corresponding to the second header section 83c2 Hole corresponding to the third header section 83d2 Hole corresponding to the fourth header section 85 Meandering channel plate 85a Meandering channel 86 Water distribution plate 86a Main hole 86b Peripheral section 86c Sub-hole 87a First auxiliary plate 87b Second auxiliary plate 87c Third auxiliary plate 87d Fourth auxiliary plate 88 Heat transfer fins 89a First flow hole 89b Second flow hole 89c Third flow hole 89d Fourth flow hole 89e Fifth flow hole 100 Fuel cell system Aa-Ac Air B1 First bellows expansion joint B2 Second bellows expansion joint B3 Third bellows expansion joint B4 Fourth bellows expansion joint BP Branch pipe Bp1 Bellows expansion joint CV Curved section Ch Unit flow path Ch1 Inclined flow path section Ch2 Folding flow path section D1 Gas outlet E1, E2 Fuel inlet E3, E4 Air inlet Fg Flange Ga Raw fuel gas Gb Mixed gas Gc Reformed gas Gd Anode-off gas Ge Cathode-off gas Gf Raw fuel gas Gg Combustion gas La Raw fuel line Lb Mixed gas line Lc Anode fuel line Ld Anode off-gas line Ld1 pipeline Le Cathode air line Le1 pipeline Le2 Bypass route Lf Cathode off-gas line Lf1 pipeline Lg Combustion gas line Lg1 pipeline Lh Burner cooling air line Li Reformed water line Lj Starting air line Lw Condensed water recovery line Ma First distribution manifold Mb Second distribution manifold Mc First collection manifold Md Second collection manifold RG Reformed gas generator Sa Gas-water separation unit Sb Water level detector Sc Drain valve Wa Reformed water Wb Condensed water X1 First box X1a First base X2 Second box X2a Second base Za Heat radiation cylinder Zb Combustion gas pipe
Claims (4)
炭化水素含有ガスおよび/またはアノードオフガスが流通する第1ガス筒と、
前記第1ガス筒を包囲し、酸化剤含有ガスおよび/またはカソードオフガスが流通する第2ガス筒と、
基端部が前記第1ガス筒と接続されると共に、先端部がガス流れの下流側に向かって拡開する円錐台状の保炎器と、
基端部が前記第2ガス筒と連結され、燃焼室および燃焼ガスの流通路として機能する管体であって、表面が燃焼熱の放射部となる熱放射筒と、を備え、
前記熱放射筒は、前記内筒の表面と前記熱放射筒の表面を離間させた状態で前記内筒に挿通されると共に、先端部が前記内筒の端部から突出する長さを有し、
前記熱放射筒を流通する燃焼ガスは、前記反応容器と接触することなく前記熱放射筒の先端部から排出されることを特徴とする燃料電池システムのバーナ。 A burner applicable to a double-cylinder reaction vessel having a catalyst-packed layer between an outer cylinder and an inner cylinder,
A first gas cylinder through which hydrocarbon-containing gas and/or anode-off gas flows,
A second gas cylinder surrounds the first gas cylinder, through which an oxidizer-containing gas and/or cathode-off gas flows,
A frustoconical flame holder whose base end is connected to the first gas cylinder and whose tip widens toward the downstream side of the gas flow,
A tubular body whose base end is connected to the second gas cylinder and which functions as a combustion chamber and a passage for combustion gases, comprising a heat radiating cylinder whose surface is a heat radiating part,
The heat radiation tube is inserted into the inner cylinder with a gap between the surface of the inner cylinder and the surface of the heat radiation tube , and its tip has a length that protrudes from the end of the inner cylinder.
A burner for a fuel cell system , characterized in that the combustion gas flowing through the heat radiation cylinder is discharged from the tip of the heat radiation cylinder without coming into contact with the reaction vessel .
前記保炎器の外径と前記第2ガス筒の内径は、略同径であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のバーナ。 The flame holder has multiple rows of through holes spaced apart in the expanding direction,
The burner according to claim 1 or 2, characterized in that the outer diameter of the flame holder and the inner diameter of the second gas cylinder are substantially the same.
前記電極対の先端部を前記保炎器の内部に配置し、
ガス点火時に、前記第1電極ロッドをスパークロッドとして機能させると共に、前記第2電極ロッドをアースロッドとして機能させ、
火炎検知時に、前記第1電極ロッドをフレームロッドとして機能させると共に、前記第2電極ロッドをアースロッドとして機能させることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のバーナ。
It comprises an electrode pair consisting of a first electrode rod and a second electrode rod,
The tip portions of the electrode pair are placed inside the flame holder.
During gas ignition, the first electrode rod functions as a spark rod, and the second electrode rod functions as a ground rod.
The burner according to any one of claims 1 to 3, characterized in that, when a flame is detected, the first electrode rod functions as a flame rod and the second electrode rod functions as a ground rod.
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